微囊藻CO_(2)-浓缩机制基因型的动态变化及其对CO_(2)的竞争效应

由于具有高效的CO_(2)-浓缩机制,蓝藻在低CO_(2)浓度条件下具有竞争优势。然而,随着大气中CO_(2)浓度急剧增加,蓝藻CO_(2)-浓缩机制如何响应的研究较少。因此,本文以常见水华蓝藻——微囊藻为研究对象,通过对滇池微囊藻水华动态及不同CO_(2)-浓缩机制基因型进行监测,探讨蓝藻CO_(2)-浓缩机制基因的微进化特征及其动态变化。同时,设置高(0.08%)、中(0.04%)、低(0.02%)CO_(2)浓度(V/V)进一步揭示微囊藻不同CO_(2)-浓缩机制基因微进化对CO_(2)的竞争效应。结果表明:滇池无机碳浓度在4个采样点存在空间差异性,均呈现先降低后升高的趋势,并以HCO3-为主要无机碳存在形式。调查期间,东大河、观音山、洛龙河和生态所4个采样点的微囊藻均以sbtA基因型占绝对优势,相对丰度远高于bicA基因型。在不同水华时期,bicA基因型和sbtA基因型呈现相反的变化趋势,即从水华前期到水华中期,sbtA基因型的相对丰度逐渐升高,而到水华后期,出现bicA基因型增多的现象。室内竞争实验同样表明高浓度CO_(2)培养环境下,bicA基因型具有明显竞争优势,随CO_(2)浓度的降低,呈现bicA基因型向sbtA基因型转变的趋势。这些结果表明水华中期无机碳浓度相对较低,能适应碳限制环境的sbtA基因型的微囊藻表现出竞争优势,而对CO_(2)浓度变化敏感的bicA基因型的微囊藻随无机碳浓度的升高逐渐增多;同时,在总碱度,pH和Chl.a影响下,微囊藻基因型在滇池不同微囊藻水华期呈现bicA→sbtA→bicA转变。这些结果说明微囊藻能通过调节不同CO_(2)-浓缩机制基因藻株响应水体无机碳浓度,保持种群竞争优势,并维持水华的形成。

羧酶体结构及其CO_2浓缩机制研究进展

羧酶体(Carboxysome)是高效的固碳微体,在CO2浓缩机制(CO2-concentrating mechanism,CCM)中发挥重要作用。在蓝藻及某些化能自养菌中,羧酶体作为类细胞器包裹1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)和碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA),它与无机碳转运蛋白共同在胞质中积累HCO3–,通过增加RubisCO周围的CO2浓度来提高固碳效率。随着羧酶体结构和功能的阐明,异源表达羧酶体已成功实现,并且已鉴定出编码羧酶体壳蛋白及内部组分的基因。首先简要介绍羧酶体的发现和种类,然后系统分析其结构及在CCM机制中的作用,并对其在代谢工程上的广阔应用前景进行了展望。

气候变暖对微囊藻的生长、代谢及机制研究进展

在大气CO_(2)浓度升高和全球变暖的影响下,水体营养充足,温度成为湖泊生态系统中蓝藻水华爆发的关键环境因子。作为水华优势物种之一,微囊藻(Microcystis)对温度具有良好的适应性,因此,微囊藻水华的发生频率和强度在全球变暖的环境下持续增加。综述了微囊藻在全球和中国的分布、温度在微囊藻生长(休眠、复苏、快速生长和聚集爆发)4个阶段中发挥的作用及对微囊藻生理代谢功能和机制的影响,为温度催化微囊藻水华的扩张提供了理论依据。

水生植物RuBisCO基因的趋同演化

植物碳固定,作为碳循环中的核心环节,对全球粮食产量与气候变迁具有深远影响。在此过程中,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBisCO)的作用举足轻重。其催化速率与特异性间存在微妙的平衡:特异性降低,催化速率上升,但副反应中的有毒副产物亦随之增多,从而影响整体效率。然而,水生植物却拥有独特的CO_(2)富集机制,有效减少了副反应的影响,为酶创造了优越的工作环境。本文以高等水生植物入水事件为切入点,深入研究了其核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶大亚基蛋白的趋同进化。旨在寻找与入水事件紧密相关的趋同进化位点,并探究CO_(2)富集机制下该酶理化性质的变化,为酶的优化提供新思路。收集了泽泻目、唇形目、虎耳草目、水韭目、山茱萸目和金鱼藻目等6个目共48个物种的酶蛋白质序列信息,并确定了6次关键的入水事件。采用PCOC分析方法,整合了这6次入水事件的数据,深入剖析了水生植物的进化趋势。分析结果显示,水生植物中可能存在一个关键的趋同进化位点,位于蛋白质序列的第328号位置,紧邻酶的活性中心。推测该位点的替换可能增强了反应底物进入活性中心区域的灵活性,使CO_(2)更易进入,从而提升了酶的催化速率。这一发现为后续的酶改进突变实验指明了方向,提供了坚实的理论依据。研究成果不仅有助于优化该酶的催化效率和适应性,也为深入研究植物碳固定机制提供了新的视角。

光呼吸研究进展

光呼吸是指植物绿色组织依赖光能吸收O_(2)并释放CO_(2)的过程,它被认为是一个浪费能量的过程。正常生长的C_(3)植物光呼吸可损耗光合产物的25%~30%,在干旱、高温、高光等逆境胁迫下,该损耗可高达50%,因此,显著提高C_(3)植物的生产力可通过减少光呼吸通量来实现。尽管光呼吸对植物生产力的负面影响明显,但它对植物一些必要生理活动可能起着重要作用,其中包括参与光保护、H_(2)O_(2)信号发生、氮代谢、光氧化和抗逆反应等。该文对光呼吸的改造优化需要把握好平衡点与适配度。基于Rubisco改造、CO_(2)浓缩机制(CCM)和光呼吸支路创建的光呼吸改造研究进展进行了综述。通过了解调控光呼吸提高植物光能转化效率方面的最新进展,可望为光呼吸代谢的分子调控及改良研究提供指导。

微藻光合固碳技术及相应光生物反应器的研究进展

社会经济与工业化飞速发展,导致二氧化碳(CO_(2))排放量与日俱增,温室效应日渐严重,碳减排已成为亟待解决的全球性环境问题。在常见的CO_(2)去除方法中,生物固碳技术具有经济、可持续和副作用最小的优势。其中,微藻固碳技术是通过微藻自身的光合作用机制实现固碳目的。微藻将CO_(2)转化为脂质、蛋白质等细胞组分,经进一步分离提取,可制成多种高附加值化工产品,全过程绿色、安全且稳定,对有效缓解全球温室效应意义重大。首先阐述了微藻光合固碳技术原理、优点,及其生物质资源在各领域的应用;然后对影响微藻固碳效率的因素进行了分析;最后总结了光生物反应器的研究现状,并对光反应器的设计优化和发展提出了建议。