34、蓝细菌光合效率与代谢调控：从光能利用到昼夜节律的优化策略

蓝细菌光合效率与代谢调控：从光能利用到昼夜节律的优化策略

1. 光能吸收与利用对光合作用效率的影响

光能吸收和利用能力在光合作用效率中起着关键作用。白天到达地球表面的阳光强度动态变化，当光照强度超过光合作用能力时，光合反应中心会产生多余电子，导致有害活性氧物质（ROS）的形成增加。为应对高光损伤，蓝细菌进化出了非光化学淬灭（NPQ）这一光保护机制。NPQ将吸收的多余太阳能以热量形式耗散，使叶绿素的激发态无害地回到非活性状态。然而，NPQ过程中以热量形式损失的太阳能可能相当可观，高达吸收太阳能的50%，这些能量本可用于光合生产。

为了提高光能利用效率，科学家们进行了多方面的探索：
- 筛选高光耐受性菌株 ：一些蓝细菌菌株对高光具有更强的耐受性，在高光条件下生长迅速，在生物技术应用中更具潜力。例如，Ungerer等人对聚球藻PCC 7942基因组上的三个基因进行修饰，使细胞生长速度提高了约三倍，达到了与快速生长菌株聚球藻UTEX 2973相当的水平。其中，ATP合酶α亚基AtpA中的C252Y替换和NAD⁺激酶PpnK中的E260D替换，分别提高了ATP生成和NADPH产生的酶活性，加速了电子沿电子传递链的流动。
- 截断光系统捕光天线 ：Melis在2009年提出，截断光系统捕光天线是减少NPQ造成的光损伤或能量损失的可行策略。从集胞藻PCC 6803中完全去除藻蓝蛋白（ΔcpcAB），显著降低了625 nm处的吸光度，使饱和光强提高了两倍。在模拟强光（2000μE m⁻² s⁻¹）和细胞密度为0.5 - 1.0 g DCW L⁻¹的条件下，工程菌株的生长速率更高，生物量积累比野生型菌株高57%。