AlgaTech藻(zao)類研(yan)究(jiu)技術(shu)：項圈藻(zao)天(tian)線基因修飾(shi)變(bian)異(yi)株(zhu)提高固(gu)氮酶(mei)活(huo)性

中科院武漢水生(sheng)所(suo)、華(hua)盛(sheng)頓(dun)大(da)學、歐洲PSI公司(si)（易科泰(tai)公(gong)司合(he)作(zuo)夥伴）合作(zuo)，采用FKM多光(guang)譜熒光動(dong)態顯微成(cheng)像技(ji)術(shu)及(ji)MC1000多通(tong)道藻(zao)類培(pei)養監(jian)測(ce)系(xi)統(tong)，為項(xiang)圈(quan)藻(zao)異形(xing)胞中的藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)含(han)量(liang)對於(yu)固氮酶(mei)活(huo)性的影(ying)響(xiang)提供(gong)了(le)直(zhi)接(jie)證(zheng)據：適(shi)應缺氮環境(jing)不(bu)壹定(ding)需(xu)要藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)降解；而(er)藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)含(han)量(liang)高(gao)則(ze)有利於(yu)維持固(gu)氮酶(mei)活(huo)性，原(yuan)因是(shi)藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)能(neng)夠捕(bu)獲光能、從而(er)為固(gu)氮作(zuo)用提供(gong)更多的ATP。該(gai)研(yan)究(jiu)結(jie)果於2021年12月(yue)發表(biao)於mBio雜誌(zhi)上(shang)。

固氮藍藻(zao)的異形(xing)胞在(zai)其(qi)絲狀體(ti)的營養細(xi)胞鏈(lian)上(shang)間(jian)隔分(fen)布，固定(ding)大(da)氣(qi)中的N₂。異形(xing)胞的固氮反應耗(hao)能(neng)很(hen)高，關鍵(jian)的驅動(dong)力(li)是ATP；生(sheng)成ATP的能量(liang)則(ze)來(lai)自(zi)光(guang)系(xi)統(tong)中以(yi)藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)為(wei)主的天(tian)線色(se)素(su)復(fu)合體(ti)所(suo)捕(bu)獲(huo)的光能(neng)。營(ying)養細(xi)胞中的藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)在(zai)缺氮時(shi)降解、有氮時(shi)重(zhong)新(xin)合成；但(dan)是異形(xing)胞中的藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)的含(han)量(liang)規(gui)律和(he)功能(neng)至(zhi)今尚無(wu)定(ding)論。本(ben)研究(jiu)制作(zuo)出項圈(quan)藻(zao)33047的突變(bian)株(zhu)ΔnblA，該(gai)突(tu)變(bian)株(zhu)在缺氮環境(jing)中藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)不(bu)會(hui)降解所(suo)以(yi)可(ke)維持高(gao)含(han)量(liang)。將其(qi)與野生(sheng)株(zhu)在加(jia)氮/缺氮條件(jian)下同(tong)時(shi)用不(bu)同(tong)光(guang)強(qiang)培(pei)養，測(ce)量(liang)二(er)者(zhe)生(sheng)長速度(du)、藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)含(han)量(liang)、環(huan)式(shi)電(dian)子(zi)傳遞等(deng)指(zhi)標變(bian)化(hua)，證(zheng)實了(le)本(ben)研究(jiu)結(jie)論。

42℃恒溫(wen)、加(jia)氮和(he)缺(que)氮條件(jian)下、分(fen)別設置(zhi)光強(qiang)梯(ti)度(du)培(pei)養項(xiang)圈(quan)藻(zao)33047，自動(dong)記錄各個樣品(pin)在(zai)特(te)定(ding)光(guang)強(qiang)下(xia)的生(sheng)物量(liang)變(bian)化(hua)。全(quan)部(bu)工(gong)作(zuo)使用MC1000 8通道(dao)藻(zao)類培(pei)養與在線監測(ce)系(xi)統(tong)完(wan)成。（A）加(jia)氮，（B）缺氮。(藍, 500; 綠, 1000; 黃, 1500; 紅, 2000μmol m^-2 s^-1)。

可(ke)見(jian)無(wu)論施氮與否，藻(zao)株(zhu)生(sheng)長速度(du)都(dou)很(hen)快，並(bing)且(qie)隨(sui)著(zhe)光(guang)強(qiang)的增加(jia)而(er)增加(jia)。施氮藻(zao)株(zhu)增長速度(du)受(shou)到(dao)抑制(zhi)時(shi)（倍增時(shi)間(jian)為3.18±0.16h）的光強(qiang)在(zai)1500-2000μmol m^-2 s^-1之(zhi)間(jian)。小於(yu)500μmol m^-2 s^-1時(shi)加(jia)氮和(he)缺(que)氮藻(zao)株(zhu)生(sheng)長速度(du)都(dou)顯著受(shou)限(xian)。

缺氮培養時(shi)，突變(bian)株(zhu)ΔnblA的異形(xing)胞和(he)營(ying)養細(xi)胞中始終(zhong)保持大(da)量(liang)的藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)；野(ye)生(sheng)株(zhu)的異形(xing)胞和(he)營(ying)養細(xi)胞中的藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)都(dou)在缺(que)氮時(shi)降解，加(jia)氮後營(ying)養細(xi)胞藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)恢(hui)復(fu)，而異(yi)形(xing)胞中含(han)量(liang)仍(reng)低(di)。應用FKM（Fluorescence Kinetic Microscope)多光(guang)譜顯微熒光動(dong)態研(yan)究(jiu)系(xi)統(tong)，不(bu)僅可(ke)對這(zhe)壹現象(xiang)進行(xing)直觀的圖像(xiang)觀察(cha)，並且(qie)能(neng)夠(gou)得到定(ding)量(liang)分(fen)析(xi)數(shu)據(ju)。

（A）野生(sheng)株(zhu)明(ming)視場(chang)圖像(xiang)；（B）野生(sheng)株(zhu)藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)成(cheng)像；（C）突變(bian)株(zhu)明(ming)視場(chang)圖像(xiang)；（D）突變(bian)株(zhu)藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)成(cheng)像。二(er)者都在缺氮環境(jing)中培養。重(zhong)新(xin)施氮後，野(ye)生(sheng)株(zhu)的異形(xing)胞藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)含(han)量(liang)未(wei)見恢(hui)復(fu)；而突(tu)變(bian)株(zhu)異形(xing)胞藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)含(han)量(liang)不(bu)變(bian)，如(ru)箭頭(tou)所(suo)示(shi)。

（E）和(he)（F）野生(sheng)株(zhu)和(he)突(tu)變(bian)株(zhu)的異形(xing)胞藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)成(cheng)像對比(bi)。（G）野生(sheng)株(zhu)和(he)突(tu)變(bian)株(zhu)的藻(zao)膽(dan)蛋白(bai)含(han)量(liang)對比(bi)，後者(zhe)是前(qian)者的8倍。

參(can)考(kao)文獻：

Anindita Bandyopadhyay, Zi Ye, Zuzana Benedikty, Martin Trtilek, Himadri B. Pakrasi, Antenna Modification Leads to Enhanced Nitrogenase Activity in a High Light-Tolerant Cyanobacterium., [J] mBio., 2021 Volume 12 Issue 6 e03408-21

北(bei)京(jing)易科(ke)泰(tai)生(sheng)態技(ji)術公(gong)司提供(gong)藻(zao)類光(guang)合(he)表(biao)型研究(jiu)全(quan)面(mian)技術方(fang)案(an)：

1.AquaPen、FluorCam葉(ye)綠(lv)素(su)熒光/多光(guang)譜熒光技(ji)術

2.SpectraPen/PolyPen、Specim高光(guang)譜測量(liang)技(ji)術(shu)

3.FKM多光(guang)譜熒光動(dong)態顯微成(cheng)像系(xi)統(tong)

4.FMT150藻(zao)類培(pei)養與在線監測(ce)系(xi)統(tong)

5.MC1000 8通道(dao)藻(zao)類培(pei)養系(xi)統(tong)

6.FL6000雙調(tiao)制式(shi)葉(ye)綠(lv)素(su)熒光測(ce)量(liang)系(xi)統(tong)

7.TL6000葉(ye)綠(lv)素(su)熱釋光(guang)測量(liang)系(xi)統(tong)

8.AlgaTech®高通(tong)量(liang)藻(zao)類表(biao)型(xing)成(cheng)像分(fen)析(xi)平臺