异源表达蓝藻双功能果糖/景天庚酮糖双磷酸酶提升莱茵衣藻混养条件下生物量生产力的机制研究

为突破卡尔文循环中FBPase和SBPase限速步骤对碳固定的制约，研究人员通过将蓝藻来源的双功能FBP/SBPase在莱茵衣藻中异源表达，发现转化株在光/CO2限制条件下显著提升光合效率、降低单线态氧产生，细胞体积增大40%，混养时淀粉/蛋白/脂质含量同步增加，为微藻工业驯化提供了新策略。

　　

在应对全球气候变化和能源危机的背景下，微藻作为可持续生物质资源备受关注。然而，传统微藻培养面临光合效率低、收获成本高等瓶颈问题。卡尔文-本森-巴沙姆循环（Calvin-Benson-Bassham cycle, CBB循环）作为光合生物固定CO₂的核心途径，其限速酶果糖-1,6-双磷酸酶（fructose-1,6-bisphosphatase, FBPase）和景天庚酮糖-1,7-双磷酸酶（sedoheptulose-1,7-bisphosphatase, SBPase）成为遗传改造的关键靶点。此前在高等植物中表达蓝藻双功能FBP/SBPase虽能提升生长速率，但微藻体系的效果尚不明确。

研究人员通过分子克隆技术将源自蓝藻的双功能FBP/SBPase基因导入莱茵衣藻核基因组，采用Western blot验证蛋白表达。通过酶动力学实验证实重组酶保持Mg²⁺依赖性和还原剂激活特性。使用脉冲振幅调制荧光仪（PAM）检测光合参数，结合SOSG探针定量单线态氧。细胞形态通过流式细胞术和光学显微镜分析，生物量成分采用酶法检测淀粉、BCA法测蛋白、尼罗红染色定量脂质。

在"酶活性验证"部分，研究证实转化株中蓝藻FBP/SBPase具有典型双功能活性，其Km值较内源酶降低30%，说明底物亲和力提升。"光合性能分析"显示转化株最大量子产量（Fv/Fm）提高12%，非光化学淬灭（NPQ）能力增强，高光下单线态氧产生量减少35%，表明光合装置抗逆性改善。"细胞表型观察"发现转化株在混养条件下细胞直径增加15-20%，体积增大40%，但自养时无显著差异。"生物量分析"揭示在光/CO₂限制的混养条件下，转化株淀粉含量提升2.1倍，蛋白质增加45%，总脂提高60%，且沉降速率加快有利于采收。

该研究首次证明蓝藻FBP/SBPase在真核微藻中的异源表达可协同提升碳代谢效率和抗光抑制能力。特别值得注意的是，混养条件下细胞体积与生物量成分的同步增加，打破了传统认知中"细胞膨大导致物质稀释"的悖论。转化株沉降性能的改善可直接降低工业采收中离心能耗，按每吨藻液节约0.5kW·h计算，万吨级培养可年省电费超百万元。这些发现为微藻代谢工程提供了新思路：通过改造CBB循环关键节点，可实现光合效率、抗逆性和采收性能的多重优化，对微藻生物燃料和高值化合物生产具有重要实践意义。未来研究可进一步探索该策略在工业藻株中的普适性，以及与其他代谢模块的协同效应。