基于适应性实验室进化的聚球藻PCC7942高浓度CO2 耐受机制与碳固定效率提升研究

为突破工业烟气中高浓度CO2 抑制微藻生长的技术瓶颈，中国科学院团队通过CO2 梯度适应性实验室进化（ALE），成功驯化出耐受20% CO2 的聚球藻突变株S20，其生物量达1.37 g L?1 ，脂质含量提升至54.35%，揭示了叶绿素a介导的光合增强核心机制，为微藻CCUS技术提供了高效菌种与理论支撑。

　　

【研究背景】
全球大气CO₂
浓度已突破426.7 ppm，工业烟气中CO₂
浓度常超10%，远超多数微藻耐受极限。传统菌种选育方法如环境筛选随机性强，基因编辑成本高昂，而适应性实验室进化（ALE）因其操作简便、靶向性强的优势成为新突破口。聚球藻（Synechococcus elongatus）PCC7942作为模式蓝藻，其快速生长与清晰遗传背景为机制研究提供了理想载体。

【研究方法】
中国科学院团队设计7阶段CO₂
梯度ALE（5%-20%），结合生理指标检测、光合荧光参数分析和多组学技术，系统评估驯化株S20的碳固定性能。关键实验包括：连续传代培养（BG-11培养基，30±2°C，100 μmol photons m^?2
s^?1
）、生物量测定、脂质含量分析（气相色谱）、RuBisCo活性检测及转录组-代谢组联合解析。

【研究结果】

1. 细胞生长与形态特征
   驯化株S20在20% CO₂
   下生物量达1.37 g L^?1
   ，较野生型提升3.57倍。电镜显示其类囊体膜结构显著增厚，为光合机构扩容提供形态学证据。

2. 光合性能与碳代谢
   叶绿素a含量增加1.8倍驱动光合效率提升，光系统II（PSII）最大量子产率（F_v
   /F_m
   ）提高23%。RuBisCo活性增长4.29倍， Calvin循环通量加速证实碳同化能力增强。

3. 多组学机制解析
   转录组发现光合电子传递链（petA/B）、ATP合成酶（atpB/D）基因显著上调；脂质合成关键基因accA表达量翻倍，与54.35%的脂质积累表型吻合。代谢组显示TCA循环中间体减少，碳流向脂质合成路径重构。

【结论与意义】
该研究首次实现聚球藻在20% CO₂
下的高效驯化，阐明叶绿素a-PSII-RuBisCo级联反应是耐受高CO₂
的核心机制。S20菌株的工业烟气适应性与高脂特性，为"碳减排-生物能源"联产提供了双赢解决方案。论文发表于《Bioresource Technology》，为 prokaryotic microalgae（原核微藻）CCUS研究树立了新范式。