藍(lán)藻的“能量緩沖”：糖原合成在光合作用中的關(guān)鍵角色
在自然界中，藍(lán)藻作為一類重要的光合自養(yǎng)微生物，在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色。它們通過光合作用固定二氧化碳，對(duì)全球碳循環(huán)貢獻(xiàn)顯著。除了自養(yǎng)生長，某些藍(lán)藻如Synechocystis sp. PCC 6803還具有混合營養(yǎng)的能力，即在光照條件下同時(shí)利用二氧化碳和有機(jī)碳源（如葡萄糖）生長。這種營養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)換及其主要碳儲(chǔ)存大分子——糖原的作用尚不清楚。2024年5月6日，New Phytologist雜志在線發(fā)表芬蘭圖爾庫大學(xué)與西班牙塞維利亞大學(xué)聯(lián)合署名標(biāo)題為Glycogen synthesis prevents metabolic imbalance and disruption of photosynthetic electron transport from photosystem II during transition to photomixotrophy in Synechocystis sp. PCC 6803的研究論文。文章旨在探討糖原在光自養(yǎng)生長向光混合營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)換過程中的生理和代謝作用，以及糖原合成對(duì)光合作用電子傳遞鏈的影響。
在本研究中，科研人員分析了添加葡萄糖對(duì) Synechocystis sp. PCC 6803和缺乏磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)氨酶和ADP-葡萄糖焦磷酸酶的突變體的生理、代謝和光合作用狀態(tài)的影響，這些突變體的糖原合成受到限制。
研究發(fā)現(xiàn)糖原起著代謝緩沖器的作用。在野生型(WT)中，添加葡萄糖會(huì)增加生長和糖原儲(chǔ)備，但在糖原合成突變體中，生長會(huì)停止。添加葡萄糖30分鐘后，糖原合成突變體中卡爾文-本森-巴薩姆循環(huán)和氧化磷酸戊糖分流的代謝物比 WT增加了三倍。這些變化極大地影響了糖原合成突變體的光合作用性能，因?yàn)檠鯕膺M(jìn)化和二氧化碳吸收都受到了影響。
基于上述研究得出以下結(jié)論，糖原合成在向光合作用轉(zhuǎn)變的過程中至關(guān)重要，可避免代謝失衡導(dǎo)致PSII電子傳遞受抑制，進(jìn)而導(dǎo)致活性氧積累、PSII核心蛋白缺失和細(xì)胞死亡。本研究通過了解光合電子傳遞與新陳代謝之間的相互協(xié)調(diào)，為優(yōu)化基于光互補(bǔ)的生物技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
在本研究中，葉綠素?zé)晒饧癗ADPH熒光測量由雙通道熒光儀DUAL-PAM-100組合NADPH/9-AA模塊完成；PC，P700，F(xiàn)d的氧化還原變化通過四通道動(dòng)態(tài)LED陣列近紅外光譜儀DUAL-KLAS-NIR完成。以下是部分研究結(jié)果。
葡萄糖會(huì)導(dǎo)致糖原代謝受損菌株的生長停滯、氧化應(yīng)激和 PSII 水平降低，圖中顯示了補(bǔ)充 2 mM葡萄糖后WT集胞藻和糖原代謝缺陷菌株的表型表征。
控制葡萄糖引起的直接代謝變化需要糖原代謝，圖中顯示了添加葡萄糖后 WT、ΔPGM 和 ΔAGP Synechocystis 菌株上游代謝的變化。
控制葡萄糖引起的直接代謝變化需要糖原代謝，圖中顯示了添加葡萄糖后 WT、ΔPGM 和 ΔAGP Synechocystis 菌株下游代謝的變化。
分析補(bǔ)充葡萄糖對(duì) WT、∆PGM 和 ∆AGP Synechocystis 菌株光合作用和PSII性能的影響。
Synechocystis 光能自養(yǎng)時(shí)和添加葡萄糖30分鐘后PETC中PSI氧化還原特性和電子流。
光營養(yǎng)不良和添加葡萄糖30分鐘后Synechocystis 細(xì)胞色素b6f成分的氧化還原狀態(tài)變化
WT、∆PGM 和 ∆AGP Synechocystis 菌株在光自養(yǎng)和添加葡萄糖 30 分鐘后的 NAD(P)H 熒光。
糖原在聚胞藻中對(duì)光混合營養(yǎng)的代謝適應(yīng)中的作用及其與光合作用的相互聯(lián)系。在光異養(yǎng)生長的細(xì)胞中，葡萄糖的攝取用于細(xì)胞代謝誘導(dǎo)代謝譜的變化，部分碳重新定位為糖原。這允許平穩(wěn)過渡到光混合營養(yǎng)條件。然而，糖原代謝受損迫使葡萄糖攝取轉(zhuǎn)向中樞碳代謝，導(dǎo)致代謝在幾分鐘內(nèi)溢出。這種不平衡會(huì)影響PSII供體側(cè)的電子轉(zhuǎn)移。光合作用受阻的合理原因包括代謝類似物在PSII內(nèi)的碳酸氫鹽置換或誘導(dǎo)由PSII相關(guān)蛋白介導(dǎo)的次級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)制。這種阻塞最終導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生增加，阻礙了生存能力。
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