马为民团队揭示pH调控NaHSO3诱导藻类光合放氢的功能机理
发布人:吴波  发布时间:2020-04-08   浏览次数:403

  

煤、石油和天然气等化石燃料燃烧通常会释放出SO2,而NaHSO3就是SO2溶解于水后形成的一种衍生物。一般认为,高浓度NaHSO3处理藻类和作物会显著降低它们的光合作用效率,甚至导致死亡。大约30年前,中国科学院植物生理生态研究所沈允钢院士团队发现低浓度NaHSO3处理藻类和作物可显著提高它们的光合作用效率。进一步研究发现,这一提高是低浓度NaHSO3处理藻类和作物导致增加它们围绕光系统I的环式电子传递和优化ATP/NADPH比例的结果。


大约10年前,我院马为民课题组发现中等浓度NaHSO3处理藻类可诱导持续、高效光合放氢现象(Wang et al., 2010, Int J Hydrogen Energy; Ma et al., 2011, Bioresour Technol)。我们称这一诱导藻类光合放氢的方法为NaHSO3添加法。进一步研究发现了NaHSO3添加法移除氧气,激活氢化酶的作用机理(Wei et al., 2017, Plant Cell Physiol)和分步添加NaHSO3改善光系统II活性,提高光合放氢效率的功能机理(Wei et al., 2018, Front Plant Sci)。然而,迄今为止,NaHSO3添加法诱导的氢气产量仍不能满足藻类光合制氢的工业化应用。


202046Biotechnology for Biofuels期刊在线发表了我院马为民课题组的研究成果,题为“Mechanistic insights into pH-dependent H2 photoproduction in bisulfite-treated Chlamydomonas cells”。该研究工作发现pH 8.0NaHSO3添加法诱导藻类光合放氢的最优值;每升藻液(大约10毫克叶绿素)在3天内大约释放了105毫升氢气。与pH 7.3(生长培养基的初始pH值)相比,pH 8.0诱导释放的氢气量大约增加了1.75倍。这一结果表明我们又向藻类光合制氢的工业化应用逼近了一步。该研究工作也发现pH 8.0诱导增加的光合放氢量是改善光合放氢电子源(光系统II)活性的结果,但与交替电子库(围绕光系统I的环式电子传递和碳同化)活性无关。进一步研究发现,(1pH 7.3高到pH 8.0降低了NaHSO3 / Na2SO3比值;(2)与NaHSO3相比,Na2SO3减弱了对光系统II的损伤。同时,我们发现,类同于NaHSO3添加法,Na2SO3添加也是一种移除氧气,激活氢化酶,诱导藻类持续、高效光合放氢的重要方法。


在功能数据的基础上,本研究提出了一个pH调控NaHSO3诱导藻类光合放氢的功能机理图(下图)。当NaHSO3添加到pH 7.3的细胞培养物时,一个高的NaHSO3 / Na2SO3比值严重地抑制了光系统II光解水的活性,导致减少了藻类进行光合放氢的电子源。与此相反,当NaHSO3添加到pH 8.0的细胞培养物时,一个低的NaHSO3 / Na2SO3比值有助于改善光系统II光解水的活性,为藻类光合放氢提供了一个相对高的电子源。因此,pH通过改变NaHSO3 / Na2SO3比值和光系统II光解水的活性来调控NaHSO3添加法诱导藻类光合放氢的效率。


我院马为民教授为论文的通讯作者。魏兰珍副研究员和硕士生范保强、易静为论文的共同第一作者。硕士生谢天群和刘坤等也参与了该论文的部分工作。该研究工作得到了国防科技委和上海市科学技术委员会的共同资助。


  

  


pH调控NaHSO3诱导藻类光合放氢机理的模式图

  

文章链接:

https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-020-01704-0

  

(供稿:马为民课题组)