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我所通过非生物方式解除自然光合作用的光抑制

  近日,我所太阳能研究部人工光合成研究中心李灿院士、王旺银副研究员等提出非生物方式电子引流策略,利用人工电子梭导出微藻光合系统内的电子,有效解除了光合作用的光抑制,并将导出的电子用于有机合成反应中。

  自然界的生物质资源是通过自然光合作用合成,即在太阳光作用下合成各种各样的生物质。太阳能对光合作用是必须的,但是,在自然光合作用过程中,不是光越强越好,植物在光强度超过一定的阈值后(光饱和点),会启动自我保护机制,不再接收更多的光,这种现象被称为光抑制。

  在光合作用的微观机制中,光合生物的捕光天线吸取太阳能,用于激发光合反应中心,从而驱动水的氧化反应并释放出氧气,同时将产生的电子和质子分别以NADPH和ATP的形式储存起来(光反应),以用于二氧化碳固定(Calvin cycle)转化过程(暗反应)。在强光下,由于自然光合系统中光反应与暗反应的不匹配,使得叶绿体内囊体膜上产生大量过剩的还原力,从而诱发光抑制,导致太阳能转化效率和速率都急剧下降,制约了光合作用太阳能的转化与生物质的合成,因此,如何解除光抑制是光合作用的一个重要难题。

  本工作中,科研人员通过向蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的培养液中添加人工电子梭(铁氰化钾),显著增强了蛋白核小球藻在强光下的光系统II光合放氧能力。研究发现,在一定光强范围内,这种增强效果随光强的升高而越发显著;光系统II氧化水产氧的速率可提高2.6倍,光饱和点可提高7.1倍。此外,研究人员还利用脉冲调制叶绿素荧光技术,探测了PSII和PSI本征光量子产率的变化,发现添加人工电子梭可将光合电子及时导出,降低PSII受损伤的程度和几率,使胞内活性氧物种的水平下降37%,从而有效解除了强光下的光抑制。自然状态下,NAD(P)H氧化酶可将胞内过剩的还原力通过NAD(P)H介导的方式传递给胞外的溶解氧,然而受限于反应动力学及溶解氧浓度,该过程比较缓慢,而通过电子梭(铁氰化钾)可将电子导出速率提高47倍。这种人工导出的电子和质子可以将5-羟甲基糠醛和富马酸等有机小分子还原。

  本工作结合了化学的非基因策略与合成生物学方法,是研究和理解光合作用的一种可行的方法;通过揭示微藻在光饱和状态下光合电子传输和分布的特性,为突破光饱和瓶颈以及有效利用人工导出的光合作用电子(还原力)提供了新思路。

  以上工作以“Liberating Photoinhibition through Nongenetic Drainage of Electrons from Photosynthesis”为题,发表在Wiley最新推出的综合类期刊Natural Sciences上。该工作的共同第一编辑是我所DNL16王旺银和博士研究生李定颐。以上工作得到国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、国家自然科学基金等项目的资助。(文/图 王旺银、李定颐)

  文章链接:https://doi.org/10.1002/ntls.20210038

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