衣藻二氧化碳浓缩机制及其调控的研究进展

当低浓度CO 2限制微藻光合作用时,CO 2浓缩机制(CCM)是一种有效的无机碳(Ci)吸收策略,以保证微藻的正常生存和繁殖。CCM主要是通过升高1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)附近的CO 2浓度增强光合作用的效率,同时抑制光呼吸的进行。CCM的关键步骤包括无机碳的聚集吸收、Rubisco对CO 2的固定和碳酸酐酶催化的不同Ci的转换。CCM中分子调控元件的有序协作,不仅可以帮助细胞感知周围CO 2的浓度,诱导调节CCM基因的表达,还可以协调衣藻在低浓度CO 2环境下光合作用中碳和其他代谢途径的相互作用。总结了目前以衣藻作为模式生物对真核藻类CCM的研究概况、调控机理,以及CCM机制在农业方面的应用和展望。

蓝藻聚球藻高二氧化碳需求突变株的研究

利用化学诱变法获得了蓝藻聚球藻10％CO2生长需求的突变株N150。突变株N150具较高的无机碳运输速率和无机碳库，表观光合作用对外源无机碳的亲和性与已知的其它高二氧化碳需求突变株有显著区别。突变株N150的突变缺陷主要在不能适应低CO2条件。当有Na+（100mmol／L）存在时，突变株可恢复在较低CO2浓度（1％）下生长的能力。

华北中元古代浅海碳酸盐沉淀方式变化:海水氧化还原条件波动的响应?

海相碳酸盐的沉淀方式被认为与水体氧化还原条件密切相关,即太古宙至古元古代缺氧的铁化海水中碳酸盐沉淀抑制剂Fe2+和Mn2+强力抑制灰泥在水柱中成核,但允许文石直接在海底生长,从而导致大量文石以海底沉淀方式产出,而新元古代适度的氧化海水则有利于灰泥以水柱沉淀方式形成。然而,碳酸盐沉淀方式的长期变化还可能受控于其他因素,其与海水氧化还原条件之间的关系还需要通过大量具体实例来验证。针对上述科学问题,笔者选择碳酸盐沉淀方式尚处于过渡时期的华北中元古界碳酸盐岩为研究对象,开展碳酸盐沉淀方式及与之对应的氧化还原条件研究。结果表明,华北高于庄组三段(约1.56 Ga)、雾迷山组四段下部(约1.48 Ga)和铁岭组二段(约1.44 Ga)发育大量灰泥水柱沉淀,其Ⅰ/(Ca+Mg)值较高(普遍大于0.5μmol/mol)、Ce负异常(低至0.8),指示适度氧化的条件;而高于庄组四段下部(约1.55 Ga)和雾迷山组二段中部(约1.50 Ga)则发育大量纤维状文石海底沉淀,其Ⅰ/(Ca+Mg)值约为0,指示次氧化至缺氧的环境。因此,本研究首次用大量实例证实了前寒武纪海水氧化还原条件对碳酸盐沉淀方式的重要调控作用,并且后者可作为海水氧化还原条件分析的重要指标,适用于高效开展长序列、多剖面的低氧背景下前寒武纪碳酸盐岩地层的氧化还原条件分析。

高温胁迫下坛紫菜(Pyropia haitanensis)对无机碳的利用

采用藻类二氧化碳浓缩机制(CO2Concentrating Mechanism,CCM)关键酶胞外碳酸酐酶(periplasmic Carbonic Anhydrase,pCA)的抑制剂AZ(acetazolamide)、DIDS(4’4’-diisothiocyanatosilbene-2,2-disulfonic acid)和SITS(4-acetamido-4’-isothiocyano-2,2’-stibene-disulfonate)等对不同生长阶段的坛紫菜(Pyropia haitanensis)叶状体进行处理,利用pH-drift技术研究了高温胁迫下坛紫菜利用无机碳的特点。结果表明:(1)坛紫菜主要依赖pCA利用HCO3,且能力较强;(2)高温抑制坛紫菜吸收利用无机碳,温度越高影响越严重;(3)坛紫菜未性成熟组叶片对无机碳的利用能力远大于成熟组,但对高温胁迫的抗性低于成熟组。高温造成藻体细胞膜系统损伤和脂肪酸成分变化或许是高温抑制藻类CCM的原因之一。

蓝细菌钙化作用

蓝细菌钙化作用,是一种主要通过光合作用吸收CO_2和HCO_3^-并产生鞘内的pH值变化来实现诱导碳酸盐矿物沉淀的重要机制。蓝细菌钙化产物是那些谜一样的化石,如葛万菌、附枝菌、肾形菌。钙化蓝细菌化石的地史分布表明,蓝细菌钙化作用与海水化学条件及大气圈CO_2和O_2含量的长时间变化存在着成因联系,从而成为重要的生物沉积现象。多年的研究表明,当p(CO_2)分压下降到10PAL(present atomosphere level)以下及p(O_2)分压上升时,诱导了蓝细菌鞘内二氧化碳浓缩机制(CCMs)的形成。CCMs促进的活体内鞘的钙化作用,与大气圈的CO_2浓度有着直接的生态生理学联系。在1.2Ga最早的活体内钙化蓝细菌鞘可能反映了CCMs相对早期的起源。追逐蓝细菌钙化作用,不但拓宽了沉积学的研究范畴,也为了解那些谜一样的钙化化石的生物亲和性提供一些新的理念和思考途径。

两株绿藻响应CO_2浓度变化的生长和生理特性的研究

以小球藻FACHB-1580和栅藻FACHB-1618为研究对象,比较了两株绿藻在0.04%CO_2、5%CO_2和20%CO_2(v/v)三种通气培养条件下的生长和生理特性的响应,试图阐述与无机碳利用相关生理参数和微藻利用CO_2能力的关系。结果表明,两株绿藻均能高效利用CO_2,在5%(v/v)条件下均表现出最大生物量积累、最大比生长速率和最大二氧化碳固定速率。小球藻FACHB-1580和栅藻FACHB-1618最大生物量分别为3.5和5.4g/L,分别是0.04%CO_2(v/v)条件的1.41和1.46倍。在高达20%CO_2(v/v)条件下,两株绿藻的生物量均显著高于空气组(P<0.05)。随着CO_2浓度的增加,两株绿藻的无机碳亲和力、胞内和胞外CA活性、初始Rubisco活性,及Rubisco活化度均有下降趋势,总的Rubisco活性变化不明显。另外,小球藻FACHB-1580存在较高的胞外和胞内CA活性;而栅藻FACHB-1618胞外CA活性几乎为零,胞内CA活性显著低于小球藻FACHB-1580。由此推测,小球藻FACHB-1580能同时吸收介质中的HCO_3^-和CO_2,其胞内CA催化胞内HCO?3快速转化为CO_2,从而为Rubisco提供充足的CO_2来源;而栅藻FACHB-1618主要吸收介质中的CO_2,其胞内CA活性较低,推测其通过提高胞内CA含量,或增强Rubisco对CO_2的亲和力等促进光合固碳作用。

微生物成因鲕粒研究进展

鲕粒岩在古气候、古环境,以及古海洋领域有着独特的研究价值,然而学术界对于鲕粒成因目前仍没有统一认识。近年来,随着鲕粒形成过程中微生物诱导矿化证据的不断丰富,广为接受的“无机成因”观点正不断受到挑战。本论文从历史和当前视角,回顾了从“藻类参与”到“细菌参与”,以及现在“有机矿化过程”在微生物成因鲕粒研究方面的历程,对鲕粒形成的地球生物学过程进行了系统阐述,并着重介绍了鲕粒形成的各类生物—化学模型。但是这些模型能否解决所有鲕粒的成因问题,还有待进一步工作的检验。考虑到现阶段关于鲕粒成因的认识仍然存在非常大的争议,研究某些特定类型鲕粒的形成机制可为探究鲕粒成因之谜提供一个突破口,而具有条带状纹层结构的Kalkowsky型鲕粒则最有可能存在微生物参与。这是由于Kalkowsky型鲕粒一般以贫有机质和富有机质纹层的交替出现为特征,这与Robert Burne所述的“规则纹层状叠层石”或Robert Riding所述的“混合结构叠层石”特征非常相近,可能意味着它们具有相似的成因。富含有机质的纹层状(或带状)鲕粒虽然在现代巴哈马碳酸盐沉积环境中很少见,但在其他地区和地史记录中较为常见,通过对这种与叠层石特征非常相似的鲕粒进行研究可为了解这类鲕粒纹层形成的有机矿化过程提供了一个新的视角。

埃迪卡拉纪—寒武纪之交微生物岩特征对比及古海洋学意义:以汉南—米仓山地区为例

寒武纪初期不仅发生了宏体生物大爆发,而且也出现了地质历史时期少见的蓝细菌鞘体大规模钙化事件。埃迪卡拉纪—寒武纪之交海水化学性质的转变对真核生物的演化起到了重要作用,但是这种转变对微生物岩发育特征以及蓝细菌钙化事件的产生有无影响,目前尚不明确。鉴于此,对华南上扬子北缘汉南—米仓山地区上埃迪卡拉统—寒武系第二统多个典型微生物岩发育剖面进行了系统野外调查和室内岩石学分析,结果表明:上埃迪卡拉统灯影组叠层石广泛发育,以平铺状、缓波状特征为主,而凝块石既可以呈补丁状分布于叠层石纹层间,又可以呈细小的凝絮状、粘结状特征构成厚层岩层;寒武系第二统仙女洞组叠层石丰度显著降低,以高大、坚硬的丘状隆起为特点,包括单独的凝块石丘,以及微生物与古杯的联合建丘。虽然寒武系第二统微生物岩的层状结构和凝块结构与埃迪卡拉系相比并无太大差异,但是寒武系微生物岩内部保存有大量的钙化微生物化石,已识别出附枝菌(Epiphyton)、肾形菌(Renalcis)和葛万菌(Girvanella)等多种类型。在收集、整理前人有关微生物岩特征和发育资料的基础上,本次研究初步整理出华南寒武系第二统微生物岩的时空分布特点,发现寒武纪第二世第三期是钙化微生物大量发育的一个时期,在随后的第四期达到一个小的高峰。对于此次蓝细菌钙化作用幕的启动机制,除前人提出的海水高钙离子浓度和蓝细菌体内二氧化碳浓缩机制等认识外,寒武纪早期海水性质的转变(方解石质原生矿物受成岩改造程度较低)、适度的陆源碎屑输入(黏土组分保护作用)也有利于钙化微生物结构的保存,应引起重视。

光照对坛紫菜生长和无机碳利用的影响

以坛紫菜Z⁃61品系为研究材料,分析坛紫菜叶状体和丝状体在三种光强(10,50,500μmol·m^(-2)·s^(-1))下的应答。发现:1)坛紫菜叶状体和丝状体的光系统Ⅱ最大量子产量及叶绿素a和藻红蛋白的含量都随光强增加而降低,但净光合速率、最大光合速率、胞外碳酸酐酶活性和总碳酸酐酶活性则随光强增加而增加。2)当光强从10μmol·m^(-2)·s^(-1)增加到500μmol·m^(-2)·s^(-1)时,坛紫菜叶状体的生长速率约增加77%;丝状体的生长速率先增加后降低,在光强500μmol·m^(-2)·s^(-1)下达到最低,比在10μmol·m^(-2)·s^(-1)下显著下降了约90%。3)在三种光强下,坛紫菜叶状体的最大光合速率、光系统Ⅱ最大量子产量和生长速率都大幅高于丝状体。这些结果表明:坛紫菜的光系统Ⅱ、光合作用与生长对光强的应答并不完全一致;叶状体比丝状体更适应高光,这可能是长期进化的结果;光强可以改变坛紫菜对无机碳的吸收。

集胞蓝细菌PCC 6803中CcmK2蛋白多克隆抗体的制备与检测

CcmK2蛋白是集胞蓝细菌PCC 6803羧酶体外壳蛋白的主要组分,在羧酶体的组装与功能行使方面扮演重要角色。为解析其功能,本研究构建了原核表达载体pET28a-CcmK2,并在大肠杆菌BL21(DE3)中诱导表达带有6个组氨酸标签的CcmK2重组蛋白。通过金属亲和层析技术,将CcmK2重组蛋白纯化后免疫家兔,制备抗CcmK2多克隆抗体。基于Dot blot分析的结果显示:该多克隆抗体能够有效检测蓝细菌CcmK2蛋白;进一步的抗体特异性分析显示,CcmK2多克隆抗体与其他羧酶体外壳蛋白存在微弱的抗原抗体反应;最后,通过Western blot分析证实该多克隆抗体能够特异而灵敏地检测集胞蓝细菌PCC 6803中CcmK2的丰度。

氯霉素对集胞蓝细菌PCC 6803细胞中羧酶体数目及其相关蛋白丰度的影响

羧酶体是由致密的外壳蛋白包裹着核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/氧化酶和碳酸苷酶形成的细胞内蛋白质小体,是蓝细菌二氧化碳固定的场所。为解析羧酶体在不同培养条件下的功能,本研究构建了原核表达载体pET28a-CcmK2,并在大肠杆菌BL21(DE3)中诱导表达带有组氨酸标签的CcmK2重组蛋白,制备了其多克隆抗体,探讨了不同质量浓度氯霉素对细胞内羧酶体数目和羧酶体相关蛋白丰度的影响。首先,确定了不同质量浓度的氯霉素对集胞蓝细菌PCC 6803生长的影响,发现5.0μg/mL氯霉素能够完全抑制菌株的生长,但是可以维持菌株存活。随后,探讨了集胞蓝细菌在葡萄糖异养和光合自养转换过程中,氯霉素对细胞内羧酶体数目及羧酶体相关蛋白的影响。结果显示:氯霉素的加入抑制了细胞内羧酶体数目对环境碳源的响应;同时,Western blot检测发现5.0μg/mL氯霉素能够抑制细胞内新的羧酶体外壳蛋白CcmK2的合成。这些结果表明,氯霉素可能通过抑制羧酶体外壳蛋白的合成来干扰细胞内羧酶体的形成,细胞内羧酶体对环境碳源的响应存在复杂的调控机制。

硅藻C4光合作用研究回顾与展望

硅藻(Bacillariophyta)是海洋浮游植物的主要类群之一,也是海洋生态系统中的主要初级生产者,在海洋生态系统的物质循环和能量流动中起着极其重要的作用。20世纪70年代以来,科学家们陆续发现了硅藻的某些种类中可能存在C4光合作用,但直至目前,人们对硅藻C4光合作用的认识还很有限。本文主要对硅藻C4光合作用发现的历程、二氧化碳浓缩机制及其与高等植物C4光合作用的比较进行论述,解析硅藻C4光合作用的机制。

羧酶体的组成、结构、功能和检测及其在脱氮细菌中的意义

羧酶体(Carboxysome)是一种具有CO2浓缩功能的"类细胞器",它存在于自养型脱氮细菌中,可增强细菌的自养生长能力。硝化细菌、厌氧氨氧化细菌和部分反硝化细菌都是重要的自养型脱氮细菌,探明其羧酶体的组成、结构和功能,将有助于揭示自养型脱氮菌的生长规律,进而强化生物脱氮过程。基于文献阅读和相关研究,本文对自养型细菌中羧酶体在组成、结构、功能和检测等方面的研究进展进行综述,以期为自养生物脱氮过程的深入理解和优化改进提供参考。