藍細菌是一類古老的光合微生物，為了應對光照、溫度等環(huán)境條件的變化，逐漸進化出了一套高效的環(huán)境脅迫耐受機制。聚球藻UTEX 2973是一株新近發(fā)現(xiàn)對高溫和強光照條件具有良好耐受能力的藻株，能夠在高達42度、1500 E m-2 s-1 光照條件下快速生長，生長代時僅為1.5小時。而相同條件下，包括其近緣物種聚球藻PCC7942在內(nèi)的大多數(shù)藍細菌都不能生長。有趣的是，聚球藻UTEX2973和聚球藻PCC7942的基因組序列一致性高達99.8%，它們只有24個差異蛋白編碼基因，但是卻具有顯著不同的環(huán)境耐受能力。因此，這些差異基因很可能就是引起兩株聚球藻脅迫耐受表型差異的直接原因。
為了鑒定決定聚球藻脅迫耐受能力的關(guān)鍵基因，由青島能源所呂雪峰研究員帶領(lǐng)的微生物代謝工程研究組（http://mme.qibebt.ac.cn/）采用了 “基因互補”策略：即將聚球藻PCC7942視做基因缺陷型突變株，以聚球藻UTEX2973的基因片段轉(zhuǎn)化聚球藻PCC7942，篩選具有高溫和高光耐受能力的突變株。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有高溫高光耐受的聚球藻PCC7942突變株在其FoF1 ATP 合成酶 亞基（AtpA）的252位氨基酸均有一個C252Y（色氨酸到絡(luò)氨酸）的點突變。而針對該位點的飽和突變發(fā)現(xiàn)，將半胱氨酸（Cysteine, C）突變?yōu)槿魏我环N共軛氨基酸（苯丙氨酸、絡(luò)氨酸、組氨酸、色氨酸）都能夠使得聚球藻PCC7942獲得高溫高光的耐受能力。通過系統(tǒng)的生化、生理和代謝水平研究發(fā)現(xiàn)，C252Y點突變造成了FoF1 ATP 合成酶 亞基蛋白水平和FoF1 ATP 合成酶活性的顯著提高，增加了胞內(nèi)ATP水平；顯著提高了脅迫條件下的光系統(tǒng)II核心D1蛋白的轉(zhuǎn)錄水平、光合放氧，線性電子傳遞速率，乃至糖原積累速率。本研究鑒定了決定速生聚球藻環(huán)境脅迫耐受能力的關(guān)鍵基因，為代謝工程改造光合生物環(huán)境抗逆性提供了重要靶標（Appl Environ Microbiol, 2018）。
而針對聚球藻UTEX2973脅迫條件下轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制不清的問題，研究組與德國弗萊堡大學Wolfgang Hess教授研究組合作開展了基于dRNA-seq的差異轉(zhuǎn)錄組學研究，分析了不同脅迫條件對于聚球藻UTEX2973基因轉(zhuǎn)錄和生理代謝的影響，發(fā)現(xiàn)了響應強光信號的小RNA分子PsrR1以及黑暗條件大量轉(zhuǎn)錄的Sye_sRNA1和Sye_sRNA3，并推測了它們可能的作用機制。此外，該研究還精確鑒定了聚球藻UTEX2973全基因組范圍的4808個轉(zhuǎn)錄起始位點，為后續(xù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及代謝工程改造研究奠定了基礎(chǔ)（Biotechnol Biofuels, 2018）。
圖1. 不同脅迫對聚球藻UTEX2973中心代謝的影響
圖2. 聚球藻UTEX2973所有轉(zhuǎn)錄本TSS分布圖
相關(guān)研究得到了國家自然科學基金杰出青年基金、中科院重點部署項目、山東省重大基礎(chǔ)研究等項目的支持。(文/圖 談曉明)
相關(guān)成果發(fā)表：
(1)Lou W#, Tan X#, Song K, Zhang S, Luan G, Li C, Lu X*. (2018). Single SNP in ATP synthase gene significantly improves environmental stress tolerance of Synechococcus elongatus PCC 7942. Appl Environ Microbiol doi:10.1128/aem.01222-18.
(2)Tan X#, Hou S#, Song K, Georg J, Kl？hn S, Lu X*, Hess WR*. (2018). The primary transcriptome of the fast-growing cyanobacterium Synechococcus elongatus UTEX 2973. Biotechnol Biofuels 11:218.
