蓝细菌是一类古老的光合微生物，为了应对光照、温度等环境条件的变化，逐渐进化出了一套高效的环境胁迫耐受机制。聚球藻UTEX 2973是一株新近发现对高温和强光照条件具有良好耐受能力的藻株，能够在高达42度、1500 μE m-2 s-1 光照条件下快速生长，生长代时仅为1.5小时。而相同条件下，包括其近缘物种聚球藻PCC7942在内的大多数蓝细菌都不能生长。有趣的是，聚球藻UTEX2973和聚球藻PCC7942的基因组序列一致性高达99.8%，它们只有24个差异蛋白编码基因，但是却具有显著不同的环境耐受能力。因此，这些差异基因很可能就是引起两株聚球藻胁迫耐受表型差异的直接原因。 为了鉴定决定聚球藻胁迫耐受能力的关键基因，由青岛能源所吕雪峰研究员带领的微生物代谢工程研究组（http://mme.qibebt.ac.cn/）采用了 “基因互补”策略：即将聚球藻PCC7942视做基因缺陷型突变株，以聚球藻UTEX2973的基因片段转化聚球藻PCC7942，筛选具有高温和高光耐受能力的突变株。结果发现，所有高温高光耐受的聚球藻PCC7942突变株在其FoF1 ATP 合成酶ɑ亚基（AtpA）的252位氨基酸均有一个C252Y（色氨酸到络氨酸）的点突变。而针对该位点的饱和突变发现，将半胱氨酸（Cysteine, C）突变为任何一种共轭氨基酸（苯丙氨酸、络氨酸、组氨酸、色氨酸）都能够使得聚球藻PCC7942获得高温高光的耐受能力。通过系统的生化、生理和代谢水平研究发现，C252Y点突变造成了FoF1 ATP 合成酶ɑ亚基蛋白水平和FoF1 ATP 合成酶活性的显著提高，增加了胞内ATP水平；显著提高了胁迫条件下的光系统II核心D1蛋白的转录水平、光合放氧，线性电子传递速率，乃至糖原积累速率。本研究鉴定了决定速生聚球藻环境胁迫耐受能力的关键基因，为代谢工程改造光合生物环境抗逆性提供了重要靶标（Appl Environ Microbiol, 2018）。
而针对聚球藻UTEX2973胁迫条件下转录调控机制不清的问题，研究组与德国弗莱堡大学Wolfgang Hess教授研究组合作开展了基于dRNA-seq的差异转录组学研究，分析了不同胁迫条件对于聚球藻UTEX2973基因转录和生理代谢的影响，发现了响应强光信号的小RNA分子PsrR1以及黑暗条件大量转录的Sye_sRNA1和Sye_sRNA3，并推测了它们可能的作用机制。此外，该研究还精确鉴定了聚球藻UTEX2973全基因组范围的4808个转录起始位点，为后续转录调控以及代谢工程改造研究奠定了基础（Biotechnol Biofuels, 2018）。
图1. 不同胁迫对聚球藻UTEX2973中心代谢的影响
图2. 聚球藻UTEX2973所有转录本TSS分布图
相关研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金、中科院重点部署项目、山东省重大基础研究等项目的支持。(文/图 谈晓明)
相关成果发表：
(1)Lou W#, Tan X#, Song K, Zhang S, Luan G, Li C, Lu X*. (2018). Single SNP in ATP synthase gene significantly improves environmental stress tolerance of Synechococcus elongatus PCC 7942. Appl Environ Microbiol doi:10.1128/aem.01222-18.
(2)Tan X#, Hou S#, Song K, Georg J, Kl？hn S, Lu X*, Hess WR*. (2018). The primary transcriptome of the fast-growing cyanobacterium Synechococcus elongatus UTEX 2973. Biotechnol Biofuels 11:218.
