Modulation of xanthophyll cycle impacts biomass productivity in the marine microalga Nannochloropsis
- 作者
- Giorgio Perin, Alessandra Bellan, Tim Michelberger, Dagmar Lyska, Setsuko Wakao, Krishna K. Niyogi, Tomas Morosinotto
- 单位
- Department of Biology, University of Padova, 35131 Padova, Italy; Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720; HHMI, University of California, Berkeley, CA 94720-3102; Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley, CA 94720-3102
- 杂志
- Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（2023）
- DOI
- 10.1073/pnas.2214119120
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微拟球藻中叶黄素循环如何在光保护与光利用效率之间权衡，以及如何通过遗传改造优化这一权衡以提高生物量生产力
研究策略
采用CRISPR-Cpf1基因编辑技术敲除vde基因和过表达zep基因，结合色素分析、叶绿素荧光、放氧测量和光生物反应器培养，系统评估叶黄素循环对光保护和生物量生产力的影响
核心内容
该研究以海洋微拟球藻为对象，利用CRISPR-Cpf1基因编辑技术构建了敲除vde、过表达zep及敲除lhcx1的突变株，结合色素分析、叶绿素荧光和光生物反应器培养，系统解析了叶黄素循环在光保护与光利用间的权衡。结果显示，强光下玉米黄质迅速积累，在4000 μmol photons m⁻² s⁻¹极端光强下占紫黄质-花药黄质-玉米黄质池的60%，vde敲除株因无法合成玉米黄质而在1200 μmol photons m⁻² s⁻¹光照下无法存活，证实玉米黄质对光保护不可或缺；而过表达ZEP加速了玉米黄质向紫黄质转化，使NPQ松弛加快，在1200 μmol photons m⁻² s⁻¹下生物量生产力高于野生型。波动光下野生型放氧活性下降37%，而ZEP过表达株和lhcx1敲除株未受显著影响。在Nannochloropsis oceanica中敲除vde同样导致高光敏感，表明该机制在属内保守。研究表明，玉米黄质虽为光保护所必需，但在光限制条件下造成能量损失，通过加速其转化可提升密集培养的光合效率与生物量生产力，为微藻光合作用工程提供了新策略。
创新点
首次在微拟球藻中证明了玉米黄质在光保护中的关键作用，并发现加速其转化为紫黄质可提高光生物反应器中的生物量生产力；通过比较vde KO和lhcx1 KO的表型差异，区分了NPQ和叶黄素循环在光保护中的不同贡献
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nannochloropsis gaditana | 叶黄素循环（VAZ循环） | vde (rna9604) | VDE（紫黄质脱环氧化酶） | 催化 | 催化紫黄质转化为玉米黄质；敲除后细胞无法积累玉米黄质，对强光高度敏感 |
| Nannochloropsis gaditana | 叶黄素循环（VAZ循环） | zep (rna3613) | ZEP（玉米黄质环氧酶） | 催化 | 催化玉米黄质转化回紫黄质；过表达加速松弛，提高光限制条件下的生物量生产力 |
| Nannochloropsis gaditana | 非光化学淬灭 | lhcx1 (rna606) | LHCX1（光捕获复合体应激相关蛋白） | 调控 | 参与NPQ的激活；敲除后NPQ显著降低，但在密集培养中生物量生产力仍高于WT |
| Nannochloropsis oceanica | 叶黄素循环（VAZ循环） | vde | VDE | 催化 | 跨物种验证：vde KO在强光下同样无法存活，表明zeaxanthin的保护作用保守 |
| Nannochloropsis oceanica | 非光化学淬灭 | lhcx1 | LHCX1 | 调控 | lhcx1 KO在光生物反应器中生产力高于WT，与N. gaditana结果一致 |
关键发现
- 研究发现：1) 在Nannochloropsis中，强光（1000 μmol photons m^-2 s^-1）诱导zeaxanthin积累，2小时内持续增加；在极端光强（4000 μmol photons m^-2 s^-1）下zeaxanthin占VAZ池的60%，表明其具有巨大的紫黄质储备。
- vde KO菌株无法合成zeaxanthin，在强光下光敏性显著增强，在光生物反应器中无法存活于1200 μmol photons m^-2 s^-1光照下；而lhcx1 KO虽缺乏NPQ，但在密集培养中仍能存活并表现出高于WT的生物量生产力。
- 过表达ZEP的菌株在1.5小时恢复后zeaxanthin含量比WT低24%，且加速了NPQ的松弛；在400和1200 μmol photons m^-2 s^-1光照下，ZEP OE的生物量生产力均高于WT（例如1200时差异增大）。
- 在波动光下，WT的放氧活性在光波动后下降37%（从9.3±1.4降至5.8±0.8 pmol O2 s^-1 10^-6 cells），而ZEP OE和lhcx1 KO未受显著影响；在15 μmol photons m^-2 s^-1低光下，WT放氧变为负值，表明呼吸大于光合。
- N. oceanica的vde KO同样表现出高光敏感性，验证了zeaxanthin在微拟球藻中的保守作用。
研究结论
玉米黄质对微拟球藻的光保护至关重要，但在光限制条件下会导致能量损失；通过过表达ZEP加速其向紫黄质的转化，可改善光生物反应器中密集培养的光合效率和生物量生产力，为微藻光合作用工程提供了新策略。