Changes in photosynthesis and pigmentation in an agp deletion mutant of the cyanobacterium Synechocystis sp.
- 作者
- Xiaoling Miao, Qingyu Wu, Guifang Wu, Nanming Zhao
- 单位
- Department of Biological Sciences and Biotechnology and Protein Science Laboratory of MOE, Tsinghua University, Beijing 100084, P.R. China; Department of Biological Sciences, Ningde Teachers College, Fujian, Ningde 352100, P.R. China
- 杂志
- Biotechnology Letters（2003）
- DOI
- 10.1023/a:1022446330284
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究agp基因缺失对蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803光合作用、色素组成和细胞生长的影响，探究糖原合成对蓝藻正常生长的最低需求及其与高等植物和细菌的差异。
研究策略
通过体外DNA重组技术构建agp基因缺失突变株（agp-），将0.3 kb内部片段替换为红霉素抗性 cassette；比较突变株与野生型在AGPase活性、糖原含量、光合放氧速率、色素组成（叶绿素a、类胡萝卜素、藻蓝蛋白）及不同光强（45和82 μmol m-2 s-1）和营养条件（光自养/混合营养）下的生长表现。
核心内容
该研究通过体外DNA重组技术，用红霉素抗性 cassette 替换Synechocystis sp. PCC 6803中agp基因的0.3 kb内部片段，构建了缺失突变株（agp-），系统比较了其与野生型在AGPase活性、糖原含量、光合放氧、色素组成及不同光强和营养条件下的生长差异。结果显示，agp缺失导致AGPase活性完全丧失（野生型为480±49 units/g干重），糖原合成完全缺失（野生型含量为干重的19±1%）。突变株最大光合速率仅为野生型的72%，光合饱和光强由600 μmol m-2 s-1降至300 μmol m-2 s-1；藻蓝蛋白/叶绿素a比值下降60%（从0.4降至0.16），类胡萝卜素比例无显著变化。生长方面，高光强混合营养下突变株生物量仅为野生型的51%（0.454对0.89 mg ml-1），但低光强下反而略高于野生型。这些结果证明蓝藻糖原合成对维持正常光合生长不可或缺，其调控机制与高等植物相似而非细菌。
创新点
首次在蓝藻中系统研究agp基因缺失的生理效应；发现agp缺失导致藻蓝蛋白/叶绿素a比值显著下降60%、最大光合速率降低38%、光合饱和光强提前至300 μmol m-2 s-1；证明蓝藻糖原合成对正常光合生长不可或缺，其调控机制类似植物而非细菌。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 糖原合成 | agp | ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase） | 催化 | 催化ATP和葡萄糖-1-磷酸生成ADP-葡萄糖和无机焦磷酸，是糖原/淀粉生物合成的关键调控步骤；agp缺失导致酶活性完全丧失和糖原合成缺失。 |
关键发现
- agp缺失导致AGPase活性完全丧失（WT为480±49 units/g干重）和糖原合成完全缺失（WT糖原含量为19±1%干重）。突变株最大光合速率仅为WT的72%，即光合能力降低38%（高光强下）；光合饱和光强由WT的600 μmol m-2 s-1降至300 μmol m-2 s-1。色素分析显示，突变株藻蓝蛋白/叶绿素a比值从0.4±0降至0.16±0.01（下降60%），类胡萝卜素/叶绿素a比值从0.18±0.02降至0.15±0.01（无显著变化）；具体色素含量：WT Chl a
- 87±0.26、类胡萝卜素0.88±0.05、PC
- 88±0.07 μg OD-1/30，agp-分别为4.64±0.35、0.69±0.01、0.8±0.11。生长实验中，低光强（45 μmol m-2 s-1）混合营养培养144 h后，突变株最终生物量为WT的1.1倍；高光强（82 μmol m-2 s-1）混合营养下WT最终生物量为突变株的3倍，光自养下为1.5倍。具体数值：高光强混合营养下WT生物量0.89 mg ml-1，突变株0.454 mg ml-1（仅为WT的51%）。
研究结论
agp基因缺失完全阻断蓝藻糖原合成，进而通过反馈抑制降低光合电子传递和放氧速率，改变色素组成（尤其降低藻蓝蛋白含量），最终在高光强下显著抑制细胞生长，而在低光强下则略有促进。结果表明蓝藻存在对糖原合成的最低需求以维持正常光合生长，这与细菌不同，而与高等植物相似。