Genetic Analysis of Photosynthesis in Rhodospirillum centenum

作者: FITNAT H. YILDIZ, HOWARD GEST, CARL E. BAUER
单位: Photosynthetic Bacteria Group, Programs of Microbiology and Molecular, Cellular and Developmental Biology, Department of Biology, Indiana University, Bloomington, Indiana 47405
杂志: Journal of Bacteriology（1991）
DOI: 10.1128/jb.173.13.4163-4170.1991
所属领域: 微生物遗传学
关键词: Rhodospirillum centenum光合作用突变体类胡萝卜素细菌叶绿素生物合成遗传分析
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解决的核心问题

开发Rhodospirillum centenum的遗传操作系统，分离并鉴定参与光合作用（包括细菌叶绿素a合成、类胡萝卜素合成、反应中心组装、电子传递和氧调控）的突变体，从而开展该物种光合作用的遗传分析。

研究策略

采用三种诱变方法：(1) EMS化学诱变结合青霉素富集；(2) 含有温度敏感复制起点的IncP质粒递送Tn5转座子进行插入突变；(3) 在暗厌氧条件下富集自发突变。通过菌落色素、光合生长能力、吸收/荧光光谱、薄层色谱（TLC）和血红素过氧化物酶染色等表征突变体的代谢中间体和表型。

研究路线图

100%

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核心内容

该研究首次对沼泽红螺菌（Rhodospirillum centenum）进行了系统的光合作用遗传分析。研究者采用EMS化学诱变结合青霉素富集、温度敏感型IncP质粒递送Tn5转座子插入突变，以及暗厌氧条件下自发突变三种策略，共分离鉴定了38个细菌叶绿素a合成突变体，覆盖从原卟啉IX到细菌叶绿素a八步反应中的七步，包括阻断镁螯合酶步骤的9个突变体（积累原卟啉IX）、阻断环化酶的7个突变体（积累镁原卟啉单甲酯）等。此外还获得3个crtI类胡萝卜素突变体（积累八氢番茄红素并丧失800 nm反应中心峰）、5个反应中心突变体和5个细胞色素突变体。关键发现是bch突变体仍能形成层状胞质内膜，表明该物种内膜形成不依赖光色素合成，与红杆菌属细菌不同。同时分离到一类新颖的氧调控突变体，为研究光合基因氧调控机制提供了材料。自发突变在暗厌氧培养48小时后频率高达10⁻³。这些突变体为光合作用的比较基因组学和调控机制研究提供了丰富资源。

创新点

首次对R. centenum进行系统的光合作用遗传分析；发现阻断细菌叶绿素a合成的bch突变体仍能形成层状胞质内膜（ICM），不同于Rhodobacter属细菌；分离到一类新颖的氧调控突变体，为研究光合基因的氧调控机制提供了材料。

研究对象（10）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Rhodospirillum centenum	细菌叶绿素a生物合成	bchA	—	催化	突变体累积2-脱乙烯基-2-羟乙基叶绿素酸a（吸收峰660 nm），共7个株系（FY001等）。
Rhodospirillum centenum	细菌叶绿素a生物合成	bchB 或 bchL	—	催化	突变体累积原叶绿素酸酯（吸收峰627 nm），共9个株系（FY009等）。
Rhodospirillum centenum	细菌叶绿素a生物合成	bchD 或 bchH 或 bchK	—	催化	突变体累积原卟啉IX，共9个株系（FY023等）。
Rhodospirillum centenum	细菌叶绿素a生物合成	bchE 或 bchM	—	催化	突变体累积镁原卟啉单甲酯（发射峰634 nm），共7个株系（FY021等）。
Rhodospirillum centenum	细菌叶绿素a生物合成	bchF	—	催化	突变体累积2-脱乙酰基-2-乙烯基细菌叶绿素酸a（吸收峰772 nm），共3个株系（FY033等）。
Rhodospirillum centenum	细菌叶绿素a生物合成	bchG	—	催化	突变体累积细菌叶绿素酸a（吸收峰770 nm），共4个株系（FY063等）。
Rhodospirillum centenum	类胡萝卜素生物合成	crtI	八氢番茄红素脱氢酶	催化	突变体累积八氢番茄红素，共3个株系（FY010等），并伴随光合装置组装/稳定性缺陷。
Rhodospirillum centenum	光合反应中心	rxc	—	能量供给	5个突变体（FY036等）失去反应中心800 nm吸收峰，不能进行光合生长。
Rhodospirillum centenum	光合电子传递	cyt	c型细胞色素	能量供给	5个突变体（FY045等）电子传递缺陷，FY095和FY104的45 kDa膜结合c型细胞色素显著减少。
Rhodospirillum centenum	光合基因调控	reg	—	调控	5个突变体（FY003等）在氧气存在下对Bchl合成表现出增强的抑制作用。

关键发现

共分离到38个细菌叶绿素a（Bchl a）合成突变体，覆盖从原卟啉IX到Bchl a八步反应中的七步：其中9个突变体（FY023等）阻断镁螯合酶/甲基转移酶步骤并积累原卟啉IX
7个突变体（FY021等）阻断环化酶步骤并积累镁原卟啉单甲酯（发射峰634 nm）
9个突变体（FY047等）阻断原叶绿素酸酯还原步骤并积累原叶绿素酸酯（吸收峰627 nm）
7个bchA突变体积累2-脱乙烯基-2-羟乙基叶绿素酸a（吸收峰660 nm）
3个bchF突变体积累2-脱乙酰基-2-乙烯基细菌叶绿素酸a（吸收峰772 nm）
4个bchG突变体积累细菌叶绿素酸a（吸收峰770 nm）。另有3个crtI突变体（FY010、FY011、FY119）积累八氢番茄红素，并表现出光敏性和光合装置组装/稳定性缺陷（失去800 nm反应中心峰，积累游离细菌脱镁叶绿素）。5个rxc突变体（FY036等）失去反应中心的800 nm吸收峰。5个细胞色素突变体中，FY095和FY104的膜结合45 kDa c型细胞色素显著减少。5个调控突变体（FY003等）获得氧对光色素生物合成的增强抑制。自发突变在暗厌氧培养48 h后频率高达10^-3。bchB突变体FY047仍存在层状ICM。

研究结论

R. centenum的Bchl a生物合成途径与Rhodobacter属细菌相似，但其胞质内膜（ICM）的形成不依赖于光色素合成；光合作用相关基因在染色体上成簇排列。本研究分离的突变体为光合作用的比较基因组学、生物合成途径及调控机制研究提供了丰富材料。