10种高光合效率单细胞微藻的筛选及光合关键基因rbcS的功能分析.pdf

中文摘要

随着人口的增加、可耕地的减少和全球气候变化，需要不断提高农业资源利用效

率和作物产量。光合作用关键酶RuBisCO直接决定碳固定效率。发现并利用藻类高

活性的RuBisCO是提高作物产量，降低碳排放温室效应的关键。因此本实验基于单

细胞微藻资源，鉴定与挖掘微藻种中高活性的RuBisCO，为定向进化改造提高作物

光合碳固定效率提供理论基础和技术支撑，对作物资源提质增效、深度利用以及改善

碳排放和节能转型，具有重要科学意义。本文得到以下关于单细胞微藻筛选、基因克

隆和基因功能分析方面的结果：

综合对数期的藻细胞的生长速率、RuBisCO酶活以及快速光响应曲线参数的实

验结果，筛选出RuBisCO活性最高的紫球藻、比生长速率最高的凯氏类小球藻以及

综合参数为硅藻中最佳的威氏筛环藻。

随后，对威氏筛环藻、紫球藻和凯氏类小球藻三个藻种中，调控RuBisCO催化

能力的rbcS基因进行获取，威氏筛环藻和紫球藻的基因序列由数据库中获得，凯氏

类小球藻由RACE技术扩增得到rbcS基因全长序列，有129个氨基酸残基的蛋白序

列。

最后，对威氏筛环藻、紫球藻和凯氏类小球藻的基因序列进行理化性质、基因结

构和功能进化等方面进行分析，筛选的三个藻种的基因存在少数的差异之处，但是均

无信号肽、无跨膜结构，都是亲水性蛋白，而且基因结构中都存在RuBisCOsmall

subunit保守结构域，且亲缘关系都与一些高光合物种较近，但是其结构分布有所不

同，这些差异的存在可成为未来改造藻种RuBisCO的关键突破之处。

关键词：单细胞微藻；光合效率；rbcS基因；基因克隆；表达分析

I

目录

中文摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1单细胞微藻简介1

1.2单细胞微藻光合固碳能力和发生机制1

1.2.1单细胞微藻的光合固碳机制1

1.2.2RuBisCO的分类和结构2

1.2.3rbcS基因的性质及功能3

1.3藻类植物RuBisCO改造高等植物的研究现状及存在问题4

1.3.1RuBisCO异源重组改造4

1.3.2RuBisCO编码基因定向突变改造5

1.4研究目的及意义5

第二章单细胞微藻的生长曲线及光合参数的测定7

2.1实验材料7

2.1.1实验藻种7

2.1.2实验使用培养基8

2.1.3实验仪器10

2.2实验设计10

2.3实验分析项目与测定方法11

2.3.1藻细胞生长曲线的测定11

2.3.2藻细胞光合系统的测定11

2.3.3藻细胞RuBisCO酶活测定12

2.3.4藻细胞快速光响应曲线测定及拟合13

2.3.5数据统计与分析14

2.4实验结果与分析14

2.4.1培养时间对藻细胞生长的影响14

2.4.2培养时间对藻细胞光合活性的影响28

2.4.3培养时间对藻细胞内RuBisCO酶活的影响28

2.4.4综合分析对比各藻种光合参数和酶活指标29

2.5本章小结30

第三章藻种rbcS基因序列的获取31

3.1实验材料32

3.1.1实验藻种32

3.1.2实验试剂32

3.1.3实验仪器32

3.2实验设计32

3.3实验分析项目与测定方法33