蓝藻双功能果糖-1,6/景天庚酮糖-1,7-双磷酸酶在莱茵衣藻中的表达及其高光耐受性机制研究

　　为解决微藻大规模培养中CBB循环(Calvin-Benson-Bassham cycle)碳固定效率低及高光抑制问题，研究人员通过抗生素自由选择系统在莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)叶绿体中表达蓝藻双功能FBP/SBPase基因。结果表明，该策略使生物量积累提升1.5-2.6倍，显著增强高光耐受性，为微藻商业化生产提供了新思路。

　　

微藻作为可持续生物制造的明星物种，在食品、燃料及环境修复领域展现出巨大潜力。然而，规模化培养中两大瓶颈始终难以突破：一是卡尔文循环(Calvin-Benson-Bassham cycle, CBB)对无机CO₂
的固定效率低下，二是高光照(High Light, HL)引发的光抑制现象。这些问题直接导致微藻生物量生产力远未达到商业化需求。莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)因其生长周期短、遗传操作体系成熟，成为解决这些问题的理想模型。

以往研究表明，CBB循环中果糖-1,6-双磷酸酶(FBPase)和景天庚酮糖-1,7-双磷酸酶(SBPase)是限速步骤的关键酶。单独增强FBPase反而抑制细胞生长，而SBPase过表达虽能提升光合效率，但效果有限。这提示可能需要协同调控两条代谢分支。蓝藻中天然存在的双功能FBP/SBPase为破解这一困境提供了新思路——该酶能同时催化两个限速反应，在其它微藻中已显示出1.2-2倍的生物量提升效果。

印度科学工业研究理事会(CSIR)的Chaitali Vira团队在《Bioresource Technology Reports》发表的研究中，首次将蓝藻双功能FBP/SBPase基因导入莱茵衣藻叶绿体。研究采用无抗生素的光合自养选择系统，通过基因枪转化靶向修饰rbcL突变株CC-2653的叶绿体基因组。关键技术包括：同源重组实现叶绿体基因组整合、Western blot验证蛋白表达、光合参数测定及HL胁迫实验。

【Dual fbp/sbpase gene expression in the chloroplast of C. reinhardtii】
通过pBS-67Sma载体成功实现双功能酶在叶绿体的稳定表达。PCR和蛋白印迹证实转基因株系达到同质化状态，酶活性测定显示转化株FBPase和SBPase活性分别提升40%和35%。

【Discussion】
研究揭示双功能酶表达产生多重效应：1) 显著加速CBB循环的RuBP再生，使CO₂
固定效率提升；2) 平衡淀粉合成与CBB循环通量，避免单独表达FBPase的代谢失衡问题；3) 转化株在1000 μmol photons m^-2
s^-1
的HL条件下仍保持较高光系统II量子效率(F_v
/F_m
)，表明其获得HL耐受性。

【Conclusion】
该研究首次证明双功能FBP/SBPase在莱茵衣藻中的协同增效作用：1) 混合营养条件下生物量达野生型2.6倍；2) HL条件下光抑制降低50%以上。这种"一石三鸟"的策略——同时突破碳固定瓶颈、维持代谢平衡、增强HL耐受性，为开发高产工业藻株提供了新范式。未来可进一步探索该技术在产油微藻或药用蛋白表达中的应用潜力。