AlgaTech藻類研究技術(shù)：項圈藻天線基因修飾變異株提高固氮酶活性

中科院武漢水生所、華盛頓大學(xué)、歐洲PSI公司（易科泰公司合作伙伴）合作，采用FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像技術(shù)及MC1000多通道藻類培養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，為項圈藻異形胞中的藻膽蛋白含量對于固氮酶活性的影響提供了直接證據(jù)：適應(yīng)缺氮環(huán)境不一定需要藻膽蛋白降解；而藻膽蛋白含量高則有利于維持固氮酶活性，原因是藻膽蛋白能夠捕獲光能、從而為固氮作用提供更多的ATP。該研究結(jié)果于2021年12月發(fā)表于mBio雜志上。

固氮藍(lán)藻的異形胞在其絲狀體的營養(yǎng)細(xì)胞鏈上間隔分布，固定大氣中的N₂。異形胞的固氮反應(yīng)耗能很高，關(guān)鍵的驅(qū)動力是ATP；生成ATP的能量則來自光系統(tǒng)中以藻膽蛋白為主的天線色素復(fù)合體所捕獲的光能。營養(yǎng)細(xì)胞中的藻膽蛋白在缺氮時降解、有氮時重新合成；但是異形胞中的藻膽蛋白的含量規(guī)律和功能至今尚無定論。本研究制作出項圈藻33047的突變株ΔnblA，該突變株在缺氮環(huán)境中藻膽蛋白不會降解所以可維持高含量。將其與野生株在加氮/缺氮條件下同時用不同光強(qiáng)培養(yǎng)，測量二者生長速度、藻膽蛋白含量、環(huán)式電子傳遞等指標(biāo)變化，證實了本研究結(jié)論。

42℃恒溫、加氮和缺氮條件下、分別設(shè)置光強(qiáng)梯度培養(yǎng)項圈藻33047，自動記錄各個樣品在特定光強(qiáng)下的生物量變化。全部工作使用MC1000 8通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)完成。（A）加氮，（B）缺氮。(藍(lán), 500; 綠, 1000; 黃, 1500; 紅, 2000μmol m^-2 s^-1)。

可見無論施氮與否，藻株生長速度都很快，并且隨著光強(qiáng)的增加而增加。施氮藻株增長速度受到抑制時（倍增時間為3.18±0.16h）的光強(qiáng)在1500-2000μmol m^-2 s^-1之間。小于500μmol m^-2 s^-1時加氮和缺氮藻株生長速度都顯著受限。

缺氮培養(yǎng)時，突變株ΔnblA的異形胞和營養(yǎng)細(xì)胞中始終保持大量的藻膽蛋白；野生株的異形胞和營養(yǎng)細(xì)胞中的藻膽蛋白都在缺氮時降解，加氮后營養(yǎng)細(xì)胞藻膽蛋白恢復(fù)，而異形胞中含量仍低。應(yīng)用FKM（Fluorescence Kinetic Microscope)多光譜顯微熒光動態(tài)研究系統(tǒng)，不僅可對這一現(xiàn)象進(jìn)行直觀的圖像觀察，并且能夠得到定量分析數(shù)據(jù)。

（A）野生株明視場圖像；（B）野生株藻膽蛋白成像；（C）突變株明視場圖像；（D）突變株藻膽蛋白成像。二者都在缺氮環(huán)境中培養(yǎng)。重新施氮后，野生株的異形胞藻膽蛋白含量未見恢復(fù)；而突變株異形胞藻膽蛋白含量不變，如箭頭所示。

（E）和（F）野生株和突變株的異形胞藻膽蛋白成像對比。（G）野生株和突變株的藻膽蛋白含量對比，后者是前者的8倍。

參考文獻(xiàn)：

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

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2.SpectraPen/PolyPen、Specim高光譜測量技術(shù)

3.FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)

4.FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

5.MC1000 8通道藻類培養(yǎng)系統(tǒng)

6.FL6000雙調(diào)制式葉綠素?zé)晒鉁y量系統(tǒng)

7.TL6000葉綠素?zé)後尮鉁y量系統(tǒng)

8.AlgaTech®高通量藻類表型成像分析平臺