碳离子辐照对绿藻光合系统的影响及诱变机理研究

发布时间：2019-09-22 06:04

【摘要】：微藻作为第三代生物能源材料具有很好的应用潜力,其工业化应用不仅要求选育得到优良藻种具有高代谢产物量,更需要较高生物量,而生物量的提高离不开光合效率的提高。近几年已有利用重离子辐射诱变技术筛选得到多株优良突变藻株,并且还发现光合色素改变的突变藻株。但是目前关于重离子对微藻光合系统的诱变机理和诱变效应研究还较少,特别在国内鲜有报道。因此探究重离子对微藻光合系统的诱变机理和诱变效应对今后优良藻种选育提供较好的理论依据,并一定程度上补充了这方面研究的空白。现有重离子诱变机理研究与表型直接相关的蛋白水平探究较少,本研究利用蛋白组学技术寻找与表型最直接相关的差异蛋白,从蛋白质组层面为诱变机理的研究提供新角度。本论文利用碳离子辐照两种常见淡水绿藻四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)和羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)进行三方面的研究:首先探究碳离子辐照后48 h内两种绿藻捕光天线主要色素和蛋白的剂量和时间效应;接着探究筛选得到的羊角月牙藻突变藻株的光合特征和捕光天线主要蛋白转录水平变化;最后对筛选得到的四尾栅藻突变藻株进行蛋白组学研究和光合表型分析,得到的实验结果主要如下:(1)不同剂量碳离子辐照四尾栅藻后24-48 h光合效率提高,并且20 Gy辐照后光合效率提高响应更快。20 Gy辐照羊角月牙藻后24 h后光合效率提高。(2)20 Gy辐照四尾栅藻后比其他两个剂量更快地启动光保护机制。各剂量辐照羊角月牙藻后均启动热耗散光保护机制。20 Gy辐照四尾栅藻后4 h 3Chl*产生较少。60 Gy辐照羊角月牙藻24 h后有较多的3Chl*产生。(3)20 Gy碳离子辐照两种绿藻后对Lhcb1和Lhcb 2蛋白转录水平影响较大。(4)碳离子辐照羊角月牙藻后得到5株对数期叶绿素a含量显著降低的稳定突变藻株。发现由碳离子辐照得到的不同光合色素受损5株突变藻株光合效率、光保护能力和捕光天线主要蛋白转录水平与野生型差异显著。(5)碳离子辐照四尾栅藻得到6株对数期叶绿素a含量降低的稳定突变藻株,其中S-26#在培养后期生物量高于野生型,S-4#生物量积累是6株突变藻株中最低的。通过蛋白组学数据发现这两株差异最显著蛋白均有来自于捕光天线蛋白,经过qPCR验证确定S-4#差异最显著的光系统蛋白为Lhcb1、Lhcb2和Lhcb5(CP26),S-26#差异最显著的光系统蛋白确定为Lhcb1、Lhca5。(6)结合S-4#Fv/Fm和ΦPSII的快速光曲线结果,说明100μmol photons m-2 s-1光强已经超过S-4#的耐受能力,可能发生光抑制;S-26#Fv/Fm和ΦPSII结果说明其PSII反应中心的完整程度较高。(7)S-4#Lhcb2蛋白表达上调,的确引起S-4#在高光胁迫下热耗散能力显著提高。高光胁迫6 h内S-26#热耗散能力显著高于野生型,并且长时间高光胁迫其产生的3Chl*较少,说明S-26#对高光有一定抵御能力。综合以上实验结果,从当代群体诱变效应和突变藻株个体光合特性研究中都发现碳离子辐照对绿藻捕光天线Lhcb1和Lhcb2蛋白的转录和表达水平、光合效率和光保护能力均影响显著。并且得到光合能力较弱和对高光有一定抵御能力的四尾栅藻突变藻株用于今后研究。
【图文】：

1.1 微藻应用前景及优良藻种的选育1.1.1 微藻应用前景由于日益增长的人口和能源需求，寻找新的可再生能源材料已经成为一个棘手问题。由于微藻具有高的生长速率和光合效率，并且油脂含量高等特点，因此微藻（包括蓝藻）作为一种潜在的生产生物能源材料已经得到越来越广泛的重视。另外，微藻可以适应不同浓度的 CO2，有效进行 CO2的固定并减少 CO2的排放。值得一提的是，微藻培养不占用耕地甚至是海岸边的土地，因此不会和粮食抢占可用耕地[1, 2]。如图 1.1所示，微藻作为光自养微生物利用光能和无机营养盐（碳、氮、磷等）合成可利用的代谢产物，如脂类、蛋白、糖类和色素等，并可将这些高附加值产物应用于能源、化妆品、食品和药品领域[3]。当微藻在低于或高于最适生长环境中培养时，他们会面对非适应环境做出相应的反应并调节代谢模式，这种代谢调节策略会影响生物量的组成以及相对生物量的积累[4]。

图 1.2 碳离子束引发的 DSB 修复模式[67]除了 DNA 分子外，DNA 和蛋白质的复合物染色体也对辐射十分敏感。目前已知重离子束可导致染色体结构和数量上的多种变化，比如缺失、裂隙、重复、倒位、易位、微小体、着丝粒环、多着丝粒体、染色单体互换以及染色单体断裂，染色体数量上包括非整倍体、多倍体的形成[71]。另外，重离子束辐射也对基因转录翻译、执行功能的生物大分子蛋白质及细胞信号转导等产生深远的影响，最终产生遗传变异，在突变株的表型中体现。但是目前，由重离子束辐射引起的DNA 突变方式还不能直接与突变株生物功能的改变相关联，因此重离子束诱变机理的探究需要更多新的角度，为辐照诱变育种工作提供更多的实际理论支持。1.2.4.2 重离子束等离子辐射对光合系统的影响光合系统作为高等植物和藻类的重要组成部分，，为植物提供能量和生存所必须的养分。因此，探究离子辐射对光合系统的影响对植物诱变育种具有重要意义。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q945.11

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本文编号：2539799