【摘要】：微藻作為第三代生物能源材料具有很好的應(yīng)用潛力,其工業(yè)化應(yīng)用不僅要求選育得到優(yōu)良藻種具有高代謝產(chǎn)物量,更需要較高生物量,而生物量的提高離不開光合效率的提高。近幾年已有利用重離子輻射誘變技術(shù)篩選得到多株優(yōu)良突變藻株,并且還發(fā)現(xiàn)光合色素改變的突變藻株。但是目前關(guān)于重離子對微藻光合系統(tǒng)的誘變機(jī)理和誘變效應(yīng)研究還較少,特別在國內(nèi)鮮有報(bào)道。因此探究重離子對微藻光合系統(tǒng)的誘變機(jī)理和誘變效應(yīng)對今后優(yōu)良藻種選育提供較好的理論依據(jù),并一定程度上補(bǔ)充了這方面研究的空白。現(xiàn)有重離子誘變機(jī)理研究與表型直接相關(guān)的蛋白水平探究較少,本研究利用蛋白組學(xué)技術(shù)尋找與表型最直接相關(guān)的差異蛋白,從蛋白質(zhì)組層面為誘變機(jī)理的研究提供新角度。本論文利用碳離子輻照兩種常見淡水綠藻四尾柵藻(Scenedesmus quadricauda)和羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)進(jìn)行三方面的研究:首先探究碳離子輻照后48 h內(nèi)兩種綠藻捕光天線主要色素和蛋白的劑量和時(shí)間效應(yīng);接著探究篩選得到的羊角月牙藻突變藻株的光合特征和捕光天線主要蛋白轉(zhuǎn)錄水平變化;最后對篩選得到的四尾柵藻突變藻株進(jìn)行蛋白組學(xué)研究和光合表型分析,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要如下:(1)不同劑量碳離子輻照四尾柵藻后24-48 h光合效率提高,并且20 Gy輻照后光合效率提高響應(yīng)更快。20 Gy輻照羊角月牙藻后24 h后光合效率提高。(2)20 Gy輻照四尾柵藻后比其他兩個(gè)劑量更快地啟動(dòng)光保護(hù)機(jī)制。各劑量輻照羊角月牙藻后均啟動(dòng)熱耗散光保護(hù)機(jī)制。20 Gy輻照四尾柵藻后4 h 3Chl*產(chǎn)生較少。60 Gy輻照羊角月牙藻24 h后有較多的3Chl*產(chǎn)生。(3)20 Gy碳離子輻照兩種綠藻后對Lhcb1和Lhcb 2蛋白轉(zhuǎn)錄水平影響較大。(4)碳離子輻照羊角月牙藻后得到5株對數(shù)期葉綠素a含量顯著降低的穩(wěn)定突變藻株。發(fā)現(xiàn)由碳離子輻照得到的不同光合色素受損5株突變藻株光合效率、光保護(hù)能力和捕光天線主要蛋白轉(zhuǎn)錄水平與野生型差異顯著。(5)碳離子輻照四尾柵藻得到6株對數(shù)期葉綠素a含量降低的穩(wěn)定突變藻株,其中S-26#在培養(yǎng)后期生物量高于野生型,S-4#生物量積累是6株突變藻株中最低的。通過蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這兩株差異最顯著蛋白均有來自于捕光天線蛋白,經(jīng)過qPCR驗(yàn)證確定S-4#差異最顯著的光系統(tǒng)蛋白為Lhcb1、Lhcb2和Lhcb5(CP26),S-26#差異最顯著的光系統(tǒng)蛋白確定為Lhcb1、Lhca5。(6)結(jié)合S-4#Fv/Fm和ΦPSII的快速光曲線結(jié)果,說明100μmol photons m-2 s-1光強(qiáng)已經(jīng)超過S-4#的耐受能力,可能發(fā)生光抑制;S-26#Fv/Fm和ΦPSII結(jié)果說明其PSII反應(yīng)中心的完整程度較高。(7)S-4#Lhcb2蛋白表達(dá)上調(diào),的確引起S-4#在高光脅迫下熱耗散能力顯著提高。高光脅迫6 h內(nèi)S-26#熱耗散能力顯著高于野生型,并且長時(shí)間高光脅迫其產(chǎn)生的3Chl*較少,說明S-26#對高光有一定抵御能力。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從當(dāng)代群體誘變效應(yīng)和突變藻株個(gè)體光合特性研究中都發(fā)現(xiàn)碳離子輻照對綠藻捕光天線Lhcb1和Lhcb2蛋白的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平、光合效率和光保護(hù)能力均影響顯著。并且得到光合能力較弱和對高光有一定抵御能力的四尾柵藻突變藻株用于今后研究。
【圖文】：

1.1 微藻應(yīng)用前景及優(yōu)良藻種的選育1.1.1 微藻應(yīng)用前景由于日益增長的人口和能源需求，尋找新的可再生能源材料已經(jīng)成為一個(gè)棘手問題。由于微藻具有高的生長速率和光合效率，并且油脂含量高等特點(diǎn)，因此微藻（包括藍(lán)藻）作為一種潛在的生產(chǎn)生物能源材料已經(jīng)得到越來越廣泛的重視。另外，微藻可以適應(yīng)不同濃度的 CO2，有效進(jìn)行 CO2的固定并減少 CO2的排放。值得一提的是，微藻培養(yǎng)不占用耕地甚至是海岸邊的土地，因此不會(huì)和糧食搶占可用耕地[1, 2]。如圖 1.1所示，微藻作為光自養(yǎng)微生物利用光能和無機(jī)營養(yǎng)鹽（碳、氮、磷等）合成可利用的代謝產(chǎn)物，如脂類、蛋白、糖類和色素等，并可將這些高附加值產(chǎn)物應(yīng)用于能源、化妝品、食品和藥品領(lǐng)域[3]。當(dāng)微藻在低于或高于最適生長環(huán)境中培養(yǎng)時(shí)，他們會(huì)面對非適應(yīng)環(huán)境做出相應(yīng)的反應(yīng)并調(diào)節(jié)代謝模式，這種代謝調(diào)節(jié)策略會(huì)影響生物量的組成以及相對生物量的積累[4]。

圖 1.2 碳離子束引發(fā)的 DSB 修復(fù)模式[67]除了 DNA 分子外，DNA 和蛋白質(zhì)的復(fù)合物染色體也對輻射十分敏感。目前已知重離子束可導(dǎo)致染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)量上的多種變化，比如缺失、裂隙、重復(fù)、倒位、易位、微小體、著絲粒環(huán)、多著絲粒體、染色單體互換以及染色單體斷裂，染色體數(shù)量上包括非整倍體、多倍體的形成[71]。另外，重離子束輻射也對基因轉(zhuǎn)錄翻譯、執(zhí)行功能的生物大分子蛋白質(zhì)及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，最終產(chǎn)生遺傳變異，在突變株的表型中體現(xiàn)。但是目前，由重離子束輻射引起的DNA 突變方式還不能直接與突變株生物功能的改變相關(guān)聯(lián)，因此重離子束誘變機(jī)理的探究需要更多新的角度，為輻照誘變育種工作提供更多的實(shí)際理論支持。1.2.4.2 重離子束等離子輻射對光合系統(tǒng)的影響光合系統(tǒng)作為高等植物和藻類的重要組成部分，，為植物提供能量和生存所必須的養(yǎng)分。因此，探究離子輻射對光合系統(tǒng)的影響對植物誘變育種具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(近代物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：Q945.11

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本文編號(hào)：2539799