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大化所解除自然光合作用光抑制
更新时间:2021/10/27 来源:中国化工报
  

  中化新网讯 近日,中国科学院大连化物所太阳能研究部人工光合成研究中心李灿院士、王旺银副研究员等提出非生物方式电子引流策略,利用人工电子梭导出微藻光合系统内的电子,解除了光合作用的光抑制,并将导出的电子用于有机合成反应中。

  此研究结合了化学的非基因策略与合成生物学方法,是研究和理解光合作用的一种可行的方法。他们通过揭示微藻在光饱和状态下光合电子传输和分布的特性,为突破光饱和瓶颈以及有效利用人工导出的光合作用电子(还原力)提供了新思路。

  自然界的生物质资源是通过自然光合作用合成,即在太阳光作用下合成各种各样的生物质。太阳能对光合作用是必须的,但是,在自然光合作用过程中,不是光越强越好,植物在光强度超过一定的阈值后(光饱和点),会启动自我保护机制,不再接收更多的光,这种现象被称为光抑制。

  在光合作用的微观机制中,光合生物的捕光天线吸收太阳能,用于激发光合反应中心,从而驱动水的氧化反应并释放出氧气,同时将产生的电子和质子分别以NADPH和ATP的形式储存起来(光反应),以用于二氧化碳固定转化过程。在强光下,由于自然光合系统中光反应与暗反应的不匹配,使得叶绿体内囊体膜上产生大量过剩的还原力,从而诱发光抑制,导致太阳能转化效率和速率都急剧下降,制约了光合作用太阳能的转化与生物质的合成。因此,如何解除光抑制是光合作用的一个重要难题。

  科研人员通过向蛋白核小球藻的培养液中添加人工电子梭(铁氰化钾),增强了蛋白核小球藻在强光下的光系统Ⅱ光合放氧能力。研究发现,在一定光强范围内,这种增强效果随光强的升高而越发显著;光系统Ⅱ氧化水产氧的速率可提高2.6倍,光饱和点可提高7.1倍。

  此外,研究人员还利用脉冲调制叶绿素荧光技术,发现添加人工电子梭可将光合电子及时导出,使胞内活性氧物种的水平下降37%,从而解除了强光下的光抑制。自然状态下,NADPH氧化酶可将胞内过剩的还原力通过NADPH介导的方式传递给胞外的溶解氧,然而受限于反应动力学及溶解氧浓度,该过程比较缓慢,而通过电子梭(铁氰化钾)可将电子导出速率提高47倍。这种人工导出的电子和质子可以将5-羟甲基糠醛和富马酸等有机小分子还原。

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