光合作用是地球上最重要的生物化學過程，植物和藻類的光合固碳活動為生物圈的維持和發展提供了最根本的初級生產力，理解光合作用機制、優化光合作用效率與穩定性具有重要的科學和技術意義。高溫高光脅迫嚴重影響光合作用效率并造成農林牧業經濟損失，提高光合生物的高溫高光耐受能力是光合作用研究的重要方向。藍細菌是研究光合作用的模式體系，提高藍細菌高溫高光耐受能力并解析其功能機制，對其他光合生物體系的優化具有指導和示范價值。然而，高溫高光脅迫造成損傷的靶點眾多、機制不明，傳統的代謝工程和進化工程手段均難以取得良好的改造效果。

近日，青島能源所微生物制造工程中心開發了新型藍細菌超突變系統，突破細胞基因組復制高保真性對其進化速率的限制，通過遺傳和環境協同擾動大幅提升聚球藻細胞復制突變率和適應性進化速度，成功獲得高溫高光耐受能力顯著提高的進化藻株，并揭示了影響藍細菌高溫高光耐受能力的關鍵靶點與功能機制。該工作于2023年3月4日在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上在線發表。

圖1. 遺傳與環境協同擾動激發聚球藻超突變狀態

高溫高光脅迫對藍細菌的損傷機制尚未獲得清楚的解析，理性的代謝工程策略難以實現細胞高溫高光耐受性的有效提升，進化工程是改造此類復雜生理表型的有效手段。然而，微生物細胞基因組復制的高保真性和低突變率，導致經典的實驗室適應性進化需要長時間連續傳代以積累遺傳多樣性，周期長而且依賴反復人工操作。以藍細菌模式藻株聚球藻PCC 7942為平臺，研究團隊系統鑒定影響其基因組復制保真性的關鍵基因，并通過保真元件敲除-誘變元件表達的整合策略將重組藻株復制突變率提高了兩個數量級。在此基礎上，研究團隊發現環境脅迫同樣可以影響聚球藻突變率，通過遺傳保真機制缺陷與培養環境脅迫的耦合可以觸發超突變狀態，將細胞突變率提高三個數量級。根據上述結果，研究團隊提出環境脅迫和復制保真機制缺陷的協同作用機制（圖1），并使用該系統進行聚球藻高溫高光耐受能力的優化。

圖2.應用超突變技術獲得耐高溫高光聚球藻進化藻株

應用上述超突變系統，研究團隊在兩周內即成功獲得了高溫高光耐受能力大幅提升的聚球藻進化藻株，相比實驗室適應性進化和常規化學誘變表現出效率上的巨大優勢。在出發藻株無法生存的45oC高溫和2500 μmol photons/m2/s光照條件下，聚球藻進化藻株表現出良好的適應性和快速生長能力（圖2）。

圖3. NC2點突變提高莽草酸激酶表達水平以優化聚球藻高溫高光耐受性

研究團隊對獲得的23個高溫高光耐受藻株進行了全基因組測序，并結合應用正向遺傳學和反向遺傳學策略，鎖定了賦予聚球藻高溫高光耐受能力的主效突變為FoF1-ATP合成酶alpha亞基C252A突變和莽草酸激酶啟動子區域的NC2突變。其中，NC2突變通過提高莽草酸激酶表達水平導致聚球藻高溫高光耐受性的機制為首次報道；研究團隊在集胞藻PCC 6803中對該機制進行了驗證，通過莽草酸激酶的過量表達有效提升了重組藻株面對高溫和高光脅迫的生長穩定性，表明該策略可能對不同藍細菌菌株具有廣泛適用性（圖3）。

圖4. NC2突變重塑聚球藻光合系統

研究團隊進而對NC2突變通過上調莽草酸激酶表達提高聚球藻高溫高光耐受能力的機制進行深入解析，結合轉錄組、蛋白組以及光合生理參數分析發現，該突變引發聚球藻光合和固碳系統的顯著變化（圖4），減少了光能的過度吸收、增強了細胞循環電子流和氧化磷酸化活性并強化了糖原和蛋白合成，最終保證高效而穩定的光合固碳過程。

該研究發展了新型藍細菌超突變系統并通過聚球藻高溫高光耐受性改造證實了其有效性，為復雜光合生理表型的優化提供了可靠的工具；研究中所發現的莽草酸激酶表達提升引發藍細菌高溫高光耐受能力優化的現象，豐富了對光合生理代謝的認識，為未來高光效藍細菌底盤的人工設計提供了新的啟示。

微生物制造工程中心呂雪峰研究員和欒國棟研究員為論文的共同通訊作者，博士研究生孫繪梨和欒國棟研究員為論文的共同第一作者。本研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青年人才創新促進會、潔凈能源創新研究院聯合基金以及山東省人才計劃的支持。

（文/圖 孫繪梨 欒國棟）

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36964-5

Huili Sun^#, Guodong Luan^#*, Yifan Ma, Wenjing Lou, Rongze Chen, Dandan Feng, Shanshan Zhang, Jiahui Sun，Xuefeng Lu*. Engineered hypermutation adapts cyanobacterial photosynthesis to combined high light and high temperature stress. Nature Communications, 14, 1238 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36964-5.