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硫代硫酸钠对排硫硫杆菌固碳能力的影响及其作用机制

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环境科学 2017年第6期38卷 2496-2501页

作者：李欢王磊王亚楠同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室上海200092

通过测定不同浓度Na_2S_2O_3·5H_2O培养时排硫硫杆菌(DSM 505)菌液的总有机碳浓度(TOC),分析Na_2S_2O_3·5H_2O对排硫硫杆菌固碳能力的影响,并结合各浓度Na_2S_2O_3·5H_2O条件下固碳关键酶Rubis CO编码基因cbb的转录特性和胞外游离有... 详细信息

通过测定不同浓度Na_2S_2O_3·5H_2O培养时排硫硫杆菌(DSM 505)菌液的总有机碳浓度(TOC),分析Na_2S_2O_3·5H_2O对排硫硫杆菌固碳能力的影响,并结合各浓度Na_2S_2O_3·5H_2O条件下固碳关键酶Rubis CO编码基因cbb的转录特性和胞外游离有机碳浓度(EFOC),阐明Na_2S_2O_3·5H_2O影响排硫硫杆菌固碳能力的作用机制.结果表明,适当范围内增加Na_2S_2O_3·5H_2O的浓度能显著提高排硫硫杆菌的固碳能力,降低胞外游离有机碳在总有机碳中所占的比例.cbb基因转录特性分析结果表明,Na_2S_2O_3·5H_2O浓度对cbb基因的转录效率和表达模式均无显著影响.因此推测Na_2S_2O_3·5H_2O影响排硫硫杆菌固碳能力的作用机制可能是作为电子供体提供能量,促进细胞骨架合成,从而削弱胞外游离有机碳对排硫硫杆菌自养过程的抑制作用,进而增强固碳能力.

关键词： CO2同化电子供体有机碳抑制核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶

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微藻光合作用的优化升级助力“双碳”目标

合成生物学 2022年第5期3卷 915-931页

作者：王松吴莎江亚男胡章立深圳大学生命与海洋科学学院广东省海洋藻类工程技术研究中心广东深圳518055 深圳大学物理与光电工程学院广东深圳518060 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州) 广东广州511458

约25亿年前蓝藻进化出现了生氧光合作用,逐渐改变了空气组分;如今,为了应对不断增长的温室气体排放和日益严峻的环境问题,在地球生态系统中发挥重要光合固碳功能的微藻再次获得人们的极大关注。微藻拥有陆地高等植物无法比拟的光合作用... 详细信息

约25亿年前蓝藻进化出现了生氧光合作用,逐渐改变了空气组分;如今,为了应对不断增长的温室气体排放和日益严峻的环境问题,在地球生态系统中发挥重要光合固碳功能的微藻再次获得人们的极大关注。微藻拥有陆地高等植物无法比拟的光合作用速率和太阳能转化效率,其光合潜能还远未发挥。本文首先回顾了目前针对微藻光合作用各个阶段以及光合作用相关途径改造的策略和研究进展,并着重分析不同策略中的瓶颈问题。其次,结合高等植物光合作用的改造方法,讨论进一步提升微藻光合能力的可行方案。最后,本文根据合成生物学方法和概念,提出以微藻作为光合固碳底盘生物,通过外源代谢途径的导入和背景代谢网络的改造,设计构建微藻高效固碳工程株的技术流程。可以预见,微藻固碳能力的进一步提升,将有效降低碳排放,为我国固碳目标的实现做出实质性贡献。

关键词：微藻生物固碳合成生物学光合作用捕光天线核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶碳浓缩机制

碳源种类及碳氮比对眼点拟微绿球藻生长密度、油脂含量和脂肪酸组成的影响

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生物工程学报 2013年第3期29卷 358-369页

作者：窦晓陆向红卢美贞薛蓉晏荣军计建炳浙江工业大学化学工程与材料学院浙江省生物质燃料利用技术研究重点实验室浙江杭州310014

研究了三种碳源Na2CO3、NaHCO3、葡萄糖对眼点拟微绿球藻生长密度和油脂含量的影响,实验结果表明相对于葡萄糖,无机碳源NaHCO3更利于眼点拟微绿球藻的生长。以NaHCO3为碳源,研究了在不同的接种密度、NaNO3浓度下,C/N对眼点拟微绿球藻生... 详细信息

研究了三种碳源Na2CO3、NaHCO3、葡萄糖对眼点拟微绿球藻生长密度和油脂含量的影响,实验结果表明相对于葡萄糖,无机碳源NaHCO3更利于眼点拟微绿球藻的生长。以NaHCO3为碳源,研究了在不同的接种密度、NaNO3浓度下,C/N对眼点拟微绿球藻生长密度和油脂含量的影响。实验结果表明,C/N对眼点拟微绿球藻生长密度的影响与接种密度和NaNO3浓度有关,在高的NaNO3浓度时,C/N对眼点拟微绿球藻生长密度的影响很小;在低的NaNO3浓度时,随着C/N比的增加,微绿球藻的生长密度先增加后下降,存在最佳的C/N比。最佳的C/N比随接种密度而变化,在接种密度为OD440=0.10时,最佳C/N比为3,当接种密度提高到OD440=0.70时,最佳C/N比增加到5。NaNO3浓度和C/N对微藻油脂含量均有较大影响,在不同的接种密度和NaNO3浓度下都表现为C/N=1时最利于微藻油脂的积累,这与卡尔文循环过程中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的活性有关。本实验的最佳产油培养条件为以NaHCO3为碳源,初始接种密度为OD440=0.70,C/N=1∶1,CNaNO3=0.225g/L,此时油脂产率为56.7 mg/(L.d),EPA产率为6.5 mg/(L.d)。

关键词：碳源 C/N 眼点拟微绿球藻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶

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OsDEME调控水稻叶片光合效率的研究

OsDEME调控水稻叶片光合效率的研究

作者：古丽坚乃提·阿卜来提河南大学

学位级别：硕士

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco,EC 4.***.1.39)是光合作用固定CO的关键酶,植物所需要的有机碳几乎都源于其固定的CO。虽然Rubisco扮演着如此重要且不可替代的角色,但其催化反应的速率和专一性均较低。因此,它是光合作用效率的主要限制因素。有研究表明,包括Rubisco在内的很多光合相关的非组蛋白赖氨酸和精氨酸存在甲基化修饰,分别由甲基化酶和去甲基化酶来动态调控的。我们通过生物信息学分析在水稻中发现鉴定了一个能够降低Rubisco大亚基(Rbc L)甲基化水平的酶(Os DEMEthylase,Os DEME),本论文对其开展了生理、生化和分子生物学等方面的研究,获得以下主要研究结果:1)利用NCBI网站对Os DEME氨基酸序列进行了分析,它属于AAA家族。对Os DEME表达谱分析后发现,它在水稻各组织中都有表达,在叶片中表达量最高;该基因的表达还受到光的调控,白天明显高于晚上;当水稻从暗转移到光下,其表达量明显上升;亚细胞定位实验结果显示叶片中Os DEME蛋白主要定位于叶绿体中。2)通过对Os DEME基因敲除的水稻突变体(deme)和过表达水稻植株(OE1、OE2)叶片Rbc L甲基化水平Western Blot分析后发现,deme突变体Rbc L的甲基化水平显著高于WT和OE1、OE2,过表达植株OE1、OE2中其甲基化水平比野生型略低。Western Blot结果还显示,Os DEME蛋白量与水稻体内Rbc L的甲基化水平呈显著的负相关。这表明Os DEME可能参与体内Rbc L的去甲基化。3)SPR分析结果证明Os DEME蛋白与其他AAA家族蛋白一样,能够结合ATP,并具有ATP水解酶活性。通过对点突变后的原核表达的Os DEME ATPase活力分析测定后发现,K41、K122、R119、M120和K225氨基酸在其ATP水解酶活性中起重要的作用。CO-IP实验结果显示体外Os DEME蛋白能与Rubisco互作,体外的去甲基化实验结果显示,外加Os DEME和FAD能使Rbc L的甲基化水平明显下降,其Rubisco的活力明显上升,说明虽然Os DEME与已经报道的去甲基化酶LSD(Lysine-specific demethylase)和JMJD(JMJD histone demethylase)的同源性极低,但它确实也有去甲基化酶的特性。4)通过对Os DEME基因敲除的水稻突变体(deme)和过表达水稻植株(OE1、OE2)的光合特性和农艺性状的测定发现,Os DEME基因突变会不仅降低了高光下水稻碳同化效率,而且其电子传递速率也明显下降;Os DEME突变水稻的生物量的也有明显下降。这可能与Os DEME缺失后Rbc L甲基化水平上升导致的活力下降有关。综上所述,我们在叶绿体中发现了一个具有去甲基化功能的新型蛋白Os DEME,它可以在不同光强下通过改变Rbc L的甲基化修饰水平来调节Rubisco活力,从而调控水稻叶片的碳同化效率。这个发现有助于加深对自然条件下碳同化关键酶Rubisco活力能快速适应光波动的分子机制的理解,最终为工程化改造来提高水稻光合作用提供了重要的理论指导。

关键词：水稻核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶非组蛋白翻译后修饰去甲基化修饰

H2S信号通过调节RuBisCo增强植物抗旱性

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中国细胞生物学学报 2019年第10期41卷 1918-1928页

作者：金竹萍王磊李澄裴雁曦山西大学生命科学学院特色植物资源研究与利用山西省重点实验室

气体信号分子硫化氢(H2S)同时参与"诱导气孔关闭"和"增强光合作用"两个看似矛盾的生理过程。为了探究这一现象可能的机制,该文以模式植物拟南芥野生型(WT)与内源H2S生成酶缺失突变体(lcd/des1)为实验材料,研究干旱胁迫下H2S信号对植物... 详细信息

气体信号分子硫化氢(H2S)同时参与"诱导气孔关闭"和"增强光合作用"两个看似矛盾的生理过程。为了探究这一现象可能的机制,该文以模式植物拟南芥野生型(WT)与内源H2S生成酶缺失突变体(lcd/des1)为实验材料,研究干旱胁迫下H2S信号对植物非气孔因素的影响。结果表明,lcd/des1经外源生理浓度H2S熏蒸后,气孔导度(Gs)下降,胞间二氧化碳浓度(Ci)显著降低,净光合速率(Pn)显著升高;干旱胁迫下的lcd/des1与WT相比,Gs增加,Pn显著降低。特别地,干旱条件下对lcd/des1外源施加H2S,显著上调光合作用关键酶RuBisCo编码基因的表达量与酶活性。综上所述,H2S可通过调节非气孔因素RuBisCo酶的转录表达及其羧化活性,以增加叶片Pn,使干旱胁迫下的植株在气孔关闭时仍维持较高效率的光合作用。

关键词：硫化氢核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶干旱胁迫拟南芥

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固碳微生物分子生态学研究

中国农业科学 2011年第14期44卷 2951-2958页

作者：袁红朝秦红灵刘守龙聂三安魏文学吴金水中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室中国科学院研究生院湖南农业大学资源环境学院

减缓大气"温室效应"是目前最重要且亟待解决的环境问题之一。自养微生物具有极强的环境适应性和不容忽视的固碳潜力,研究微生物固定CO2的分子生态机理对于缓解全球气候变暖具有重要科学意义。目前发现的5条主要生物固碳途径中,卡尔文循... 详细信息

减缓大气"温室效应"是目前最重要且亟待解决的环境问题之一。自养微生物具有极强的环境适应性和不容忽视的固碳潜力,研究微生物固定CO2的分子生态机理对于缓解全球气候变暖具有重要科学意义。目前发现的5条主要生物固碳途径中,卡尔文循环是自养生物固定CO2的主要途径,其中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)是卡尔文循环中的关键酶,因此RubisCO及其编码基因被许多学者用于不同生态环境中固碳微生物群落结构和多样性的研究。以前的研究主要集中在水生生态系统,揭示了不同水生生态系统中固碳微生物的群落特点及其对不同生境的响应规律。近几年,随着陆地生态系统固碳微生物分子生态学研究的深入,国外学者发现土壤中存在大量的固碳自养微生物,它们在土壤中所起的具体作用和贡献有待进一步研究和验证。至今,国内针对土壤固碳微生物分子生态学的研究还未见报道。论文对固定CO2的微生物种类、固定机理以及近年来关于微生物固定CO2的分子生态学的研究进行了分析和总结,讨论了固碳微生物分子生态学研究存在的主要问题和今后的发展方向,旨在为中国固碳微生物分子生态学研究提供参考。

关键词：温室效应固碳微生物分子生态核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶

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自养微生物CO2固定机理研究进展

生物技术 2019年第4期29卷 391-397页

作者：韩亚西张彦龙张多英曾伟民赵丹丹雷虹白也农业微生物技术教育部工程研究中心黑龙江哈尔滨150500 黑龙江大学生命科学学院黑龙江省普通高校微生物重点实验室哈尔滨150080 黑龙江大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150080 黑龙江大学生命科学学院黑龙江省普通高校分子生物学重点实验室黑龙江哈尔滨150080

具有自养代谢能力的微生物将无机碳同化为有机碳,使其他生物无法获得的碳成为全球碳循环的核心组成部分。在现存生物圈中,卡尔文-本森循环是许多原核生物和所有植物将CO2固定到生物量中的主要代谢机制,然而却忽视了原核生物中的其它5种... 详细信息

具有自养代谢能力的微生物将无机碳同化为有机碳,使其他生物无法获得的碳成为全球碳循环的核心组成部分。在现存生物圈中,卡尔文-本森循环是许多原核生物和所有植物将CO2固定到生物量中的主要代谢机制,然而却忽视了原核生物中的其它5种自养代谢途径。对其他自养代谢途径的研究发现,这5种途径均以乙酰-Co A为中心将CO2同化为生命所需的有机物。该文从分子水平上系统阐述了六种自养代谢途径的CO2固定机理并对CO2的固定对自然界的作用进行展望。

关键词： CO2固定自养代谢途径原核微生物核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶铁氧化还原蛋白

紫外线诱变选育耐高浓度CO2的微藻及不同株系的rbcL基因序列差异性分析

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紫外线诱变选育耐高浓度CO2的微藻及不同株系的rbcL基因序列差异...

作者：杨闯青岛理工大学

学位级别：硕士

随着经济的迅速发展和社会的进步,人类对化石燃料的需求日益增大,导致空气中的CO浓度越来越高,由此引发的环境问题严重影响了人类的生产和生活,因此控制温室气体CO排放有重大意义。利用微藻固定CO是一种经济、有效的方法。但是一般微藻... 详细信息

随着经济的迅速发展和社会的进步,人类对化石燃料的需求日益增大,导致空气中的CO浓度越来越高,由此引发的环境问题严重影响了人类的生产和生活,因此控制温室气体CO排放有重大意义。利用微藻固定CO是一种经济、有效的方法。但是一般微藻的最适CO浓度为1-5%,当浓度大于5%时对微藻的生长产生抑制作用,而且微藻的固碳效率比较低。为了解决以上难题,本文采用紫外线诱变育种的方法,筛选、培育出能高效固定高浓度CO的微藻;并测定突变株的培养特性,得出突变株对高浓度CO的耐受性更好;克隆出发株和突变株小球藻核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco酶)的大亚基基因(rbcL),利用分子生物学方法鉴定出发株及分析不同突变株系出现生长差异性的原因。 1.对出发株进行紫外线诱变处理,诱变剂量为20W紫外灯、照射距离为25cm、照射时间30min。向经诱变处理后的藻液中通入30%CO进行筛选培养,经过两次筛选最终筛选出生长速率均高于出发株的3株突变株B-1、B-2和B-3。 2.对突变株传质稳定性的分析,将突变株的第四代生长曲线和第一代生长曲线相比较,结果显示,突变株稳定性良好。测定突变株和出发株的碳含量,结果表明,突变株B-1、B-2和B-3的含碳量分别提高了1.72%,1.68%和1.41%。 3.对突变株培养特性进行测定,设置不同梯度的CO浓度、温度、pH、光照,测定突变株的最适生长条件。突变株在通入20%CO,初始pH值为6,温度25℃,光照为25000Lux的条件下生长最快,经5天培养后出发株和突变株B-1、B-2和B-3的固碳速率分别是1.02g/l·d、1.43g/l·d、1.50g/l·d和1.44g/l·d。突变株B-2的固碳速率最高。在以上最优培养条件下,分别以NHCl、NaNO3和NaNO为氮源,考察不同氮源对突变株B-2固碳效果的影响。NHCl对突变株B-2有抑制作用,浓度大于150mg/l的NaNO能“杀死”突变株B-2,最适合的氮源为NaNO3。在NaNO3浓度为2g/l时,突变株取得最大固碳速率1.54g/l·d。 4.通过克隆出发株和突变株小球藻Rubisco酶的大亚基基因(rbcL),利用分子生物学方法对出发株进行分子鉴定。对测序结果做BLAST序列比对,遗传距离分析,并构建了NJ系统树,最终确定出发株和Chlorella sp. IFRPD 1018亲缘关系最近,命名为chlorella sp. YANG-1。在相同的培养条件下,突变株B-1、B-2和B-3的固碳速率均高于出发株,利用分子生物学方法分析不同株系出现生长差异性的原因。突变株rbcL基因序列上出现不同位点的突变,这些突变可能与藻株不同的固定速率有关。综上所述,在本实验中,通过紫外诱变选育的方法,筛选出3株突变株B-1、B-2和B-3。与出发株相比,突变株B-1、B-2和B-3的含碳量分别提高了1.72%、1.68%和1.41%。在通入20%CO条件下,出发株和突变株B-1、B-2和B-3的固碳速率分别是1.02g/l·d、1.43g/l·d、1.50g/l·d和1.44g/l·d。通过分子生物学的方法鉴定出发株,最终命名为chlorella sp. YANG-1。测得突变株的rbcL基因序列,与出发株rbcL基因序列相比在不同的基因位点发生突变,这些突变可能与突变株和出发株对高浓度CO耐受性不同有关。

关键词：微藻高浓度CO2 CO2固定速率紫外诱变核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶光合效率

雨生红球藻Rubisco在虾青素积累过程中的表达分析

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雨生红球藻Rubisco在虾青素积累过程中的表达分析

作者：陈张帆中国科学院研究生院（海洋研究所）

学位级别：硕士

虾青素因其具有极强的抗氧化性及优越的着色作用,被广泛应用于营养保健和水产养殖中,备受国内外研究者的关注。红球藻是目前虾青素的生物来源中较有优势的一条途径。我们选取雨生红球藻作为研究材料,收集其生长过程中四个不同的阶段,... 详细信息

虾青素因其具有极强的抗氧化性及优越的着色作用,被广泛应用于营养保健和水产养殖中,备受国内外研究者的关注。红球藻是目前虾青素的生物来源中较有优势的一条途径。我们选取雨生红球藻作为研究材料,收集其生长过程中四个不同的阶段,分别为绿色游动细胞阶段,绿色不动细胞阶段,绿褐色不动细胞阶段(开始积累虾青素),以及红色不动孢子阶段。本研究中提取了核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶(Rubisco)的粗提液,并测定了酶活。其编码基因rbcL的mRNA表达量也被测定。另外,光合速率与呼吸速率的比值(P/R)通过测定与计算得出,各个阶段藻细胞中虾青素的含量由分析得出。本研究还应用了叶绿素荧光测定方法,确定了光系统II潜在最大活性(Fv / Fm),光系统II实际活性(ΦPSII),电子传递速率(ETR)和非光化学淬灭参数(NPQ)。结果表明,绿色游动细胞的生长状态最佳,其P/R、Fv / Fm、ΦPSII均为最大,NPQ为最小。这说明在此状态的细胞中,光系统II的活性最强;但是其Rubisco活性与rbcL表达量均为最小。相比之下,在绿褐色不动细胞中,P/R和NPQ的值较低,Fv / Fm、ΦPSII和ETR值都最小,但Rubisco活性与rbcL表达量均为最高。结合工业生产虾青素的方法,我们认为,Rubisco或许参与了虾青素的合成,而非Calvin循环为色素合成提供前体和能量。因此,在生产过程中适当加入碳源,比如CO2,可以有效增大虾青素的产量。

关键词：雨生红球藻虾青素核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶基因表达分析