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    我所通過非生物方式解除自然光合作用的光抑制

      近日,我所太陽能研究部人工光合成研究中心李燦院士、王旺銀副研究員等提出非生物方式電子引流策略,利用人工電子梭導出微藻光合系統內的電子,有效解除了光合作用的光抑制,并將導出的電子用于有機合成反應中。

      自然界的生物質資源是通過自然光合作用合成,即在太陽光作用下合成各種各樣的生物質。太陽能對光合作用是必須的,但是,在自然光合作用過程中,不是光越強越好,植物在光強度超過一定的閾值后(光飽和點),會啟動自我保護機制,不再接收更多的光,這種現象被稱為光抑制。

      在光合作用的微觀機制中,光合生物的捕光天線吸收太陽能,用于激發光合反應中心,從而驅動水的氧化反應并釋放出氧氣,同時將產生的電子和質子分別以NADPH和ATP的形式儲存起來(光反應),以用于二氧化碳固定(Calvin cycle)轉化過程(暗反應)。在強光下,由于自然光合系統中光反應與暗反應的不匹配,使得葉綠體內囊體膜上產生大量過剩的還原力,從而誘發光抑制,導致太陽能轉化效率和速率都急劇下降,制約了光合作用太陽能的轉化與生物質的合成,因此,如何解除光抑制是光合作用的一個重要難題。

      本工作中,科研人員通過向蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的培養液中添加人工電子梭(鐵氰化鉀),顯著增強了蛋白核小球藻在強光下的光系統II光合放氧能力。研究發現,在一定光強范圍內,這種增強效果隨光強的升高而越發顯著;光系統II氧化水產氧的速率可提高2.6倍,光飽和點可提高7.1倍。此外,研究人員還利用脈沖調制葉綠素熒光技術,探測了PSII和PSI本征光量子產率的變化,發現添加人工電子梭可將光合電子及時導出,降低PSII受損傷的程度和幾率,使胞內活性氧物種的水平下降37%,從而有效解除了強光下的光抑制。自然狀態下,NAD(P)H氧化酶可將胞內過剩的還原力通過NAD(P)H介導的方式傳遞給胞外的溶解氧,然而受限于反應動力學及溶解氧濃度,該過程比較緩慢,而通過電子梭(鐵氰化鉀)可將電子導出速率提高47倍。這種人工導出的電子和質子可以將5-羥甲基糠醛和富馬酸等有機小分子還原。

      本工作結合了化學的非基因策略與合成生物學方法,是研究和理解光合作用的一種可行的方法;通過揭示微藻在光飽和狀態下光合電子傳輸和分布的特性,為突破光飽和瓶頸以及有效利用人工導出的光合作用電子(還原力)提供了新思路。

      以上工作以“Liberating Photoinhibition through Nongenetic Drainage of Electrons from Photosynthesis”為題,發表在Wiley最新推出的綜合類期刊Natural Sciences上。該工作的共同第一作者是我所DNL16王旺銀和博士研究生李定頤。以上工作得到國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心、國家自然科學基金等項目的資助。(文/圖 王旺銀、李定頤)

      文章鏈接:https://doi.org/10.1002/ntls.20210038

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