通過實(shí)驗室適應(yīng)進(jìn)化增強(qiáng)高光條件下藍(lán)藻的光合能力

FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)：通過實(shí)驗室適應(yīng)進(jìn)化增強(qiáng)高光條件下藍(lán)藻的光合能力

光合作用在高光下是很容易受損的，因此光合有機(jī)體需要進(jìn)化出各種策略來應(yīng)對這一問題。德國慕尼黑大學(xué)與慕尼黑工業(yè)大學(xué)合作，通過實(shí)驗室適應(yīng)進(jìn)化顯著提高了藍(lán)藻Synechocystis的高光適應(yīng)性。這一研究發(fā)表于2021年《Nature Plants》。

首先來說，這一研究的第一個難點(diǎn)就在于最初樣品處理時需要精確同步模擬不同光強(qiáng)尤其是高光條件，同時還要確保其他培養(yǎng)環(huán)境參數(shù)一致，如培養(yǎng)溫度、通氣等。MC1000 8通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)則解決了這一問題。這一系統(tǒng)每臺單機(jī)可實(shí)現(xiàn)8通道同步藻類培養(yǎng)，全LED光源，最高光強(qiáng)可達(dá)2500μmol/m²/s，可對每個培養(yǎng)試管的光強(qiáng)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)控制。除光強(qiáng)以外，還能精確控制溫度、光質(zhì)、培養(yǎng)周期、CO₂濃度等培養(yǎng)條件，模擬自然周期變化，對培養(yǎng)溫度、光密度OD680和OD720（或OD730）在線實(shí)時監(jiān)測。

本研究中，研究人員使用MC1000模擬了多種高光強(qiáng)與其他培養(yǎng)條件，使藍(lán)藻在高光中進(jìn)行隨機(jī)突變與適應(yīng)進(jìn)化。

而由于隨機(jī)突變和適應(yīng)進(jìn)化，同一批次培養(yǎng)液表現(xiàn)出了很明顯的不均一性。既然研究的目標(biāo)是獲得在高光條件下維持高光合能力的突變株，那么通過對突變株光合能力來進(jìn)行篩選是必要的。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)無疑是最合適進(jìn)行這一工作的。通過最小熒光Fo的成像檢測，篩選出了更有價值的藍(lán)藻克隆進(jìn)入下一步實(shí)驗。

經(jīng)過基因重測序、系統(tǒng)發(fā)育分析等工作后最終獲得了具備高光耐受性的藍(lán)藻菌株，還需進(jìn)一步驗證其是否在高光下表現(xiàn)出更高的活力。一方面檢測其在高光下的生物量，這同樣還是通過MC1000模擬不同光強(qiáng)并同步監(jiān)測OD730實(shí)現(xiàn)的；另一方面是光合活力的檢測，FluorCam提供了關(guān)鍵性的光合活力數(shù)據(jù)：最小熒光Fo和可變熒光Fv及成像圖。

這一研究中使用的實(shí)驗室適應(yīng)進(jìn)化方法能夠使光合微生物應(yīng)對變化的光照條件，這可以用于輔助進(jìn)化方法，未來則可以用于增強(qiáng)作物的光合穩(wěn)定性。

在藻類光合相關(guān)研究中，FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)與MC1000為代表的藻類智能LED培養(yǎng)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，已經(jīng)取得了大量研究成果。

參考文獻(xiàn)：

1.Dann? M, et al. 2021. Enhancing photosynthesis at high light levels by adaptive laboratory evolution. Nature Plants 7: 681–695

2.Berteotti S, et al. 2016. Increased biomass productivity in green algae by tuning non-photochemical quenching. Scientific Reports 6:21339

3.Perozeni F, et al. 2018. LHCSR Expression under HSP70/RBCS2 Promoter as a Strategy to Increase Productivity in Microalgae. Int. J. Mol. Sci. 19: 155

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