NDH-1介导的电子传递在蓝藻光合产氢中的调控机理研究

发布时间：2020-09-27 08:45

　　微藻光合产氢是利用其特有的氢化酶以太阳能及水为原料生成氢气和氧气,并且氢气燃烧后的产物是水。因此,这是一种持续地生产清洁能量的策略。虽然微藻的光合产氢相对于其他的产氢方式拥有许多优势,但是微藻产氢实现工业化生产还面临着种种挑战。其中最主要的原因是氢代谢途径的调控及光合产氢的机理还并不清楚,而导致光合产氢量较低。因此,在此背景下,开展调控氢代谢途径及光合产氢机理的研究对光合产氢领域的快速发展具有重要意义。光合作用与呼吸作用的相对强度对微藻光合产氢效率有重要影响。众所周知,蓝藻NDH-1复合体不仅介导呼吸作用,而且介导光合环式电子传递。这些生理功能暗示NDH-1可能通过其介导的电子传递调控氢代谢途径,进而调控蓝藻的光合产氢效率。集胞藻6803(Synechocystis sp.strain PCC 6803)是一种遗传学背景清晰且分子技术操作方便的单细胞原核生物。另外,亚硫酸氢钠添加法具有操作方便,产氢迅速等优点。因此,本论文以集胞藻6803为实验材料,利用亚硫酸氢钠添加法来研究NDH-1介导的电子传递对光合产氢的影响。实验结果表明,在加入5mM亚硫酸氢钠的背景下,ΔndhD2突变株光合产氢积累量约为野生型(wild-type;WT)的150%,而ΔndhF1突变株约为WT的70%。另外,ndhD2的缺失增加了细胞呼吸活性,而ndhF1的缺失则是降低了细胞呼吸活性。进一步研究表明,与WT相比,ΔndhD2突变株中的PQ库处于氧化态,而ΔndhF1突变株中的PQ库处于过还原状态。综上所述,在亚硫酸氢钠添加的背景下,ΔndhD2突变株通过高呼吸消耗更多的光合电子,减缓了光合电子对光系统I供体侧过度还原,导致光系统I维持了一个较高的光合电子传递速率,从而提高了光合产氢;ΔndhF1突变株则相反。
【学位单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q945
【部分图文】：

微藻,固氮酶

图 1-1 微藻氢代酶（Khetkorn et al., 2017）Figure 1-1 Three different kinds of microalgae hydrogenase固氮酶许多蓝细菌能够将大气中的 N2固定在氨（NH3）中并产生 H2作为副产固氮酶（Nitrogenase）是一种由多个蛋白亚基构成的酶复合体，主要存在于蓝藻异形胞中（Bothe et al., 2010；Tsygankov et al.,2007）。固氮酶复合体包个蛋白：固氮酶（Dinitrogenase）和固氮酶还原酶(Dinitrogenase reductase)。存在底物 N2的情况下，固氮酶可以排他性地催化氢和高电位电子的形成。然通过固氮酶产生的氢需要相当大量的电子，还原剂和最少 16 个 ATP 分子。是作为蓝藻固氮过程的副产物释放的，这也是许多固氮藻，特别是具有异形丝状蓝藻产氢的主要方式（Bothe et al., 1997）。分子氧对固氮酶的活性有抑用，但是具有异形胞的蓝藻能够通过异形胞形成微厌氧环境，从而在空间上氮和产氧这两个过程分开。如此便可以在没有分子氧干扰的情况下进行固

微藻,代谢途径,固氮酶

上海师范大学硕士学位论文第 1 章文献综述用，保持固氮酶的活性，同时促进了副产物氢气的产生（Huang et al., 1999; Misraet al., 2000; Reade et al., 1999; Wolk, 1996）。1.2.2 途径虽然在微藻中绿藻与蓝藻的氢代谢途径明显不同，但两种生物都有一个基本的共性，即氢是为了平衡生物体的氧化还原能量而产生的次级代谢产物。另一方面，一些蓝藻物种进化氢作为由固氮酶介导的固氮的副产物（图 1-2）。

机理,光合产氢,莱茵衣藻

亚硫酸氢钠法马为民团队通过研究首次发现通过添加适当浓度 NaHSO3能够促进蓝 7120(Anabaena sp. strain PCC 7120)的光合制氢（Wang et al., 2010）。3 mmol 的 NaHSO3后则能够大幅度高莱茵衣藻的光合制氢（Ma et al.,20NaHSO3促进莱茵衣藻光合产氢的作用机理(图 1-3)也得到了阐释（Wei 7）。在高光条件下，亚硫酸氢根离子（HSO3 ）能够与 PSI 处的超氧O2-）发生反应，生成硫酸根离子。这一反应间接地降低了 O2水平、建环境，从而使得氢化酶表达，光合放氢。而后续的研究发现分步加入 Na切断循环电子途径都可以不同程度的提高光合产氢积累量（Wei 8）。NaHSO3法与经典的缺硫法相比是一种新型、高效、快速节能的产这一方法简便易操作，且产氢迅速，适合用于对氢代谢途径的机理研究一定缺陷，NaHSO3作为一种强还原剂，对藻细胞的 PSII 造成了一定原损伤。

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