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光合作用研究动向:未来可再生能源的希望

发表时间:2023/05/08 20:04:05  来源:科学杂志  作者:许大全  浏览次数:10448  
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作为地球上最重要的化学反应,地球生物圈形成、运转和繁荣的关键环节,未来可再生能源的希望,光合作用越来越受到关注。提高自然光合作用效率、发展人工光合作用,已成为解决食物短缺、能源枯竭、环境污染和全球气候变化等问题的必由之路。

在地球和生命的演化过程中,光合作用产生的氧和碳水化合物不仅为高效的有氧呼吸作用和多细胞大型生物出现创造了条件,而且氧在太阳紫外辐射作用下形成的高空臭氧(O3)层有效地防止了紫外辐射对地球表面生物的伤害,保证生物得以从水生到陆生,直至遍布全球,形成生物圈。人类从18世纪发现光合作用开始,经历了19世纪的生态学研究、20世纪的生理学与生物化学研究,再到21世纪初以来的分子生物学研究,光合作用研究发展迅猛、日新月异。

光合作用就是绿色细胞利用太阳光能将无机物CO2和H2O合成碳水化合物等有机物并释放O2的过程,可简单用下式来描述:

发生光合作用的基本场所是绿色细胞内的叶绿体,后者由色素系统(叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素)、光系统、膜系统(叶绿体被膜和类囊体膜)和酶系统组成。光合作用是由几十个顺序发生的反应组成的一个复杂过程,大体可分为三个阶段。

(1)原初反应阶段:其核心是原初反应,或称光化学反应、光反应,即反应中心的叶绿素a分子(原初电子供体)受光子激发发生电荷分离(charge separation),自身失去电子被氧化,原初电子受体接受电子被还原,再开始电子传递系列反应。由于光系统反应中心的叶绿素a分子很少,仅靠自身吸收光子进行光化学反应,光合速率很慢,必须依赖各自捕光天线复合体中的大量色素分子为它们捕捉、传递更多光子,光合作用才能高速率进行。同时,光系统II(PSII)反应中心的叶绿素a在原初反应中失去电子成为强氧化剂,通过夺取附近水分子的电子得以还原,再进行下一轮光化学反应。

叶绿体中进行光合作用的过程模式图叶绿体由双层被膜包裹内部的间质而成,外形似铁饼。间质中含有多种催化光合碳同化反应的酶,以及多个垛叠和非垛叠的类囊体。类囊体也是由双层膜围成的囊状体,类囊体膜上镶嵌着两个光系统(PSI和PSII,分别含有结合众多色素分子的捕光天线复合体LHCI和LHCII)、细胞色素(Cyt)b6f和ATP合酶等超分子蛋白复合体以及转运蛋白(TP)等。

(2)同化力形成阶段:这是包括在类囊体膜也称光合膜上进行的光合电子传递及其耦联的光合磷酸化系列反应。原初反应后,PSII反应中心的叶绿素a失去的电子,经过去镁叶绿素、质体醌(PQ)、细胞色素b6f复合体和类囊体腔内自由移动的质蓝素(PC)及PSI的原初电子受体A0等,到达铁氧还蛋白(Fd),通过Fd: NADP+氧化还原酶(FNR),将电子交给NADP+,后者被还原为NADPH(还原型辅酶II)。同时,在与电子传递过程相耦联的光合磷酸化反应中,ATP合酶(CF)催化ADP和磷酸基团(Pi)合成ATP,NADPH和ATP被统称为同化力,用于下一阶段的碳同化。

(3)碳同化阶段:这是CO2在叶绿体间质中被一系列酶催化形成碳水化合物的过程。其中的关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)催化羧化底物核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)和CO2形成磷酸甘油酸(PGA),PGA先后被ATP磷酸化、被NADPH还原,形成磷酸丙糖。后者一部分通过光合碳还原循环即卡尔文—本森—巴沙姆循环(CBBC)用于RuBP再生,一部分用于在叶绿体内合成淀粉暂存,还有一部分通过叶绿体被膜上的转运蛋白输送到细胞质内,用于蔗糖合成。

光合蛋白结构和光合调节机制研究不断深入

经过长期探索,科学家已弄清楚光合作用的基本反应过程。光合蛋白结构、光合作用与其他生理生化过程的相互协调、光合作用对环境变化的响应与适应等方面的调节机制,是目前光合作用研究的主流。

高分辨率(1.9Å~3.4Å)的喜温蓝细菌PSI、高等植物豌豆PSI、细胞色素b6f复合体、菠菜捕光复合体(LHCII)、喜温蓝细菌PSII、豌豆PSI-LHCI超复合体、菠菜PsbS蛋白(激发能热耗散或非光化学猝灭即NPQ的调节蛋白)、豌豆PSII-LHCII超复合体、玉米PSI超复合体(PSI-LHCI-LHCII)和三角褐指藻捕光天线色素蛋白复合体等的三维结构,以及光合水氧化期间PSII放氧中心S1、S2和S3态结构先后被解析 [1],使人们对光合机构中重要蛋白复合体的结构与功能关系的认识前进了一大步,为阐明光合作用过程中超复合体的光能吸收、传递、利用与耗散平衡、光破坏防御,以及水氧化裂解等多种分子机制提供了重要信息。

Rubisco是植物碳同化的关键酶、光合速率的限速部位,也是光合效率的决定性因素。近年发现其活性除受其活化酶调节外,其大亚基(RbcL)上的赖氨酸残基(包括活化部位的Lys201和Lys334)乙酰化是其活性调节的另一重要因素,RbcL乙酰化会降低Rubisco活性 [2]。这个发现为改善植物的CO2固定效率提供了重要的启示。

早在1985年就有学者提出:捕光色素蛋白复合体 (light-harvesting complex of PSII,LHCII)从PSII的可逆脱离,可能是防止强光下PSII被破坏的一个短期调节机制,但是一直没有相应的实验证据,直到1990年代末,这个假说才陆续得到来自生物化学、生物物理学和植物生理学等多方面证据的支持 [3]。

分子生物学、生物数学和合成生物学技术大显身手

分子生物学技术是揭示光合作用调节控制机制(例如叶绿体避光运动机制)的有力工具,也是改善光合作用、提高作物产量的锐利武器。

D1蛋白是PSII反应中心色素—蛋白复合体的核心组分,上面结合有参与光激发的电荷分离反应的原初电子供体(叶绿素a分子,P680)、原初电子受体(去镁叶绿素,Phe)和后来的电子传递体(如次级醌受体QB)及放氧复合体(OEC)等辅助因子。其中,次级电子供体 YZ(它将水氧化产生的电子传递给在光反应中失去电子的P680+,使其还原,以便进行下一轮电荷分离反应)是D1蛋白的第161位酪氨酸残基。借助于基因工程获得的拟南芥、烟草和水稻的转基因株系增加了D1蛋白丰度,通过增强净光合速率,增加了植株生物量和籽粒产量 [4]。

在光强经常发生变化(如移动的云、太阳角度变化和叶片相互遮阴等)的环境中,植物已经演化出多种防御强光破坏的策略,其中之一是通过多种机制将过量的光能变成热能无害地耗散。这种防御策略所付出的代价是降低了光合作用效率。并且,在强光转变为弱光后,热耗散过程的慢衰减导致光合碳同化减少。通过基因工程大量增加热耗散的调节蛋白和催化叶黄素循环反应的两种酶,可以使转基因烟草在光强转弱后热耗散衰减明显加速、光合速率明显提高,意味着这是增加作物产量的一个潜在的好方法 [5]。

植物叶片表面的气孔具有两个相互矛盾的功能:一是开放气孔让空气中的CO2进入叶片,用于光合作用碳同化;二是关闭气孔阻止水因蒸腾流出叶片,避免水分亏缺。光合作用是植物生长的基础,用水效率是植物生产力的一项指标。在波动光下,过表达质子ATP酶运输控制因子的拟南芥光合作用的光诱导期比野生型的明显缩短,显示出较高的气孔开关速度、光合速率和植株干重,表明通过改善气孔开关动力学,可以提高植物光合作用效率和生物量积累 [6]。

自从2012年基于CRISPR/Cas9系统开发的新一代基因编辑技术被用于体外切割双链DNA序列以来,其操作简便、成本低廉和用途广泛等特点展示了广阔的应用前景。该技术在植物界最广泛的用途是基因敲除。基因敲除技术可以用于基因功能研究和作物性状改良,已经产生一些有商品化前景的基因编辑作物。例如,通过基因编辑技术获得的Waxy基因(控制胚乳中直链淀粉合成的主效基因)已敲除的水稻株系waxy-9522种子中直链淀粉含量小于5%,远低于其野生型约20%,呈现糯稻特征 [7]。

由于数学模型可以模拟多种实验,能够解决普通实验无法解决的问题,特别是机制模型具有很好的预见性,生物数学方法已成为光合作用研究的一种强有力的工具。例如,通过扩展已有的C3植物光合作用代谢模型,发展包括光呼吸、淀粉和蔗糖合成的完全的光合碳代谢模型,使用演化算法所做的数值模拟结果表明,C3植物叶片中典型的氮资源分配,对于光饱和的光合速率来说还不是最合适的,所以在不增加光合机构总蛋白氮投入的情况下,优化氮资源在光合碳代谢酶之间的分配,就可以大幅度提高光合速率,增加植物碳的积累。

合成生物学以系统生物学为基础,整合遗传学、分子生物学、生物数学和工程学等多学科的理论与技术方法,通过理论设计、工程改造以及人工演化等手段构建标准化的元器件和模块,借以改造自然生物系统以致获得新功能,或创造全新的生命系统,在光合作用研究中已显示出其独特的魅力。例如,把比天然光呼吸途径更有效的乙醇酸代谢途径即合成的光呼吸支路安置到烟草叶绿体内,同时通过RNA干扰技术最大限度地抑制叶绿体的乙醇酸输出,用这种基因工程技术产生的烟草,其光合量子效率(每吸收一个光量子同化固定的CO2分子数)提高了20%,生物量增加超过40% [8]。

人工光合作用研究蓬勃发展

如果将农田、草地和森林等陆生植物,以及江河湖海水体中的蓝细菌、藻类进行的光合作用称为自然光合作用的话,那么依据其原理制造的人工装置或系统模拟光合作用部分反应或全过程,将太阳能转化为化学能贮存于燃料或食物中的过程,就是人工光合作用。人工光合作用可以克服天然光合机构自身的缺欠,摆脱自然环境的限制,实现更高效的光合作用,减少传统农业生产对土地、水资源的需求,阻遏大气CO2浓度增高,缓解气候变暖趋势,帮助战胜能源危机 [9]。

虽然人工光合作用的设想早在1910年就已出现,但是对其作更多的研究还是进入21世纪以后的事。以“人工光合作用”和“太阳能燃料” 作为搜索关键词,检索到的相应文章或图书,在1980—1990年代,每年总数不过十几篇(本),可是到2010年竟接近600篇,而到2019年全世界这方面的文献总数已超过74 000篇。发展人工光合作用已成为一种全球新趋势,用以解决全球气候变化、能量供应和食物安全问题 [10]。

当前,人工光合作用主要是模拟光合作用的部分机构、部分反应,例如人工反应中心、人工天线、人工放氧复合物、人工叶绿体和人工叶,人工ATP合成、人工光能制氢和人工CO2还原,基本上处于实验室研究探索阶段,距离大规模实际应用尚远。

人工光能制氢有两个主要的研究方向,一是利用生物细胞系统制氢,二是利用光电化学装置制氢。细胞系统的明显优点是高效率、低成本和自我复制能力。在多种利用太阳能和水制取氢气的方法中,最有希望的是利用半导体的光电化学制氢法,这方面的新方案、新技术不断涌现,例如裂解水放氢、放氧的光催化固体粒子板新技术 [11]。

光催化剂粒子板上水裂解放氢放氧示意图HEP为放氢光催化剂,OEP为放氧光催化剂。

用于CO2还原的单室反应器

人工CO2还原主要是CO2的光电化学还原,将太阳能转变为有机物中的化学能,利用光能推动由CO2和H2O产生一氧化碳(CO)和氢气或甲烷和氢气,或甲醇、甲酸,例如用模拟两个光系统的单室反应器生产甲酸。然后,分别在醛脱氢酶和醇脱氢酶的催化下,甲酸先后形成甲醛和甲醇。

“人工叶”是一种具有叶片光合作用功能的人造装置, 实际上是一个用无机材料构建的光电化学电池,由多种无机物组成,结构比自然叶简单得多。

人工叶与自然叶的共同点是:都能够在普通条件即常温、常压下利用光能裂解水,两者的放氧复合体(OEC)都具有独特的自修复能力。两者的不同点是:前者由无机物构成,结构简单,而后者由有机物构成,结构复杂;前者可以放氢,能量储存于氢气中,后者不能放氢,能量储存于碳水化合物中。

人工叶绿体是具有光能吸收、转化和CO2固定功能的叶绿体仿制物 [12]。它实际上是一个个具有单层脂分子膜的微小水滴,水滴内含有以类囊体膜为基础的能量转化模块和十多种酶,它能在光下形成同化力(ATP+NADPH),用于推动酶反应循环,固定CO2。这是一个将天然的光合机构组分与合成生物学的碳同化途径相整合的人工光合作用系统。

人工叶:单接点光电化学电池硅结或接点,代替光合膜捕获光能并将其转换为无线电流。Co-OEC(含钴),放氧反应催化剂;NiMoZn合金(替代铂金),放氢反应催化剂;分别替代光合膜上的放氧复合体和铁氧还蛋白还原酶,完成水裂解放氧和放氢。

(作者:许大全,研究员,中国科学院上海植物生理生态研究所)

(来源:科学杂志)

[1] Suga M, Akita F, Yamashita K, et al. An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser. Science, 2019, 366: 334-338.

[2] Gao X, Hong H, Li W C, et al. Downregulation of Rubisco activity by nonenzymatic acetylation of RbcL. Mol Plant, 2016, 9: 1018–1027.

[3] Xu D Q, Chen Y, Chen G Y. Light-harvesting regulation from leaf to molecule with the emphasis on rapid changes in antenna size. Photosynth Res, 2015, 124: 137-158.

[4] Chen J H, Chen S T, He N Y, et al. Nuclear-encoded synthesis of the D1 subunit of photosystem II increases photosynthetic efficiency and crop yield. Nature Plant, 2020, https://doi.org/10.1038/s41477-020-0629-z.

[5] Kromdijk J, Glowacka K, Leonelli L, et al. Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection. Science, 2016, 354: 857-861.

[6] Kimura H, Hashimoto-Sugimoto M, Iba K, et al. Improved stomatal opening enhances photosynthetic rate and biomass production in fluctuating light. J Exp Bot, 2020, 71: 2339-2350.

[7] Zhang J, Zhang H, Botella J R, et al. Generation of new glutinous rice by CRISPR/Cas9-targeted mutagenesis of the Waxy gene in elite rice varieties. J Integr Plant Biol, 2018, 60(5): 369-375.

[8] South P F, Cavanagh A P, Liu H W, et al. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. Science, 2019, 363(6422), DOI: 10.1126/science.aat9077.

[9] 许大全, 陈根云. 展望人工光合作用. 植物生理学报, 2018, 54(7): 1145-1158.

[10] Artero V, Chandezon F, Co D T, et al. European and international initiatives in the field of artificial photosynthesis//Bruno R. Artificial photosynthesis. Amsterdam: Academic Press, 2016, 270-303.

[11] Bonin J, Maurin A, Robert M. Molecular catalysis of the electronchemical and photochemical reduction of CO2 with Fe and Co metal based complexes. Coordin Chem Rev, 2017, 334: 184-198.

[12] Miller T E, Beneyton T, Schwander T, et al. Light powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts. Science, 2020, 368: 649-654.

关键词:光合作用 分子生物学 生物数学 合成生物学 人工光合作用 ■

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