上万株单基因缺失文库，洞察光合作用

维持绿色真不容易，植物需要数千个基因来构建利用阳光进行生长的光合机制。然而，研究人员并不清楚这些基因是如何工作的。

　　

现在普林斯顿大学的研究人员领导的一个研究小组建立了一个“公共图书馆”，帮助其他人找出每个基因的作用。

利用这个库，研究小组确定了303个光合作用相关基因，包括21个新发现的具有很高潜力的基因，为光合作用生命过程提供了新见解，这项研究发表在Nature Genetics。

“负责光合作用的植物就像一台由许多部分组成的复杂机器，我们想了解每个部分的作用，”普林斯顿大学分子生物学助理教授Martin Jonikas说。“我们希望，这个库可以奠定下一代发现的基础。”

解开每个基因的作用，研究人员就能让植物长得更快，满足未来世界粮食需求。植物也可以吸收更多二氧化碳，帮助应对气候挑战。

“图书馆”由数千个单细胞池养殖的海藻（衣藻）组成。图书馆里每一本“书”都是一株变异的衣藻，明尼苏达大学衣藻资源中心的62000多个突变株覆盖了衣藻80%以上的基因。

其他单细胞生物（如酵母）也有类似的库，这是首次尝试单细胞光合生物。

“因为藻类物种经常被用来作为模型了解更广泛的生物过程，这个库会是一个重要资源，”国家科学基金会的项目主任，这项研究的主要资助者Karen Cone说“Jonikas团队和衣藻资源中心之间的合作关系提高了大家对这一宝贵资源的可获取性，反过来实现新发现。”

由于衣藻的基因组固有的各种挑战，这个项目花了9年时间才完成。在整个项目中，研究人员使用机器臂“播种”，通过改变营养液介质保持一代又一代细胞存活。

项目始于2010年，当时Jonikas和他的团队在斯坦福大学卡内基科学研究所工作，并于2016年完成了Jonikas实验室的普林斯顿搬迁。该项目与卡内基科学研究所的资深科学家Arthur Grossman以及明尼苏达大学植物和微生物生物学教授Paul Lefebvre管理的衣藻资源中心合作。

观察只有一个缺陷基因的衣藻细胞，可以让研究人员找出这个基因的作用，例如细胞运动有困难，那么缺陷基因的功能很可能涉及控制运动。

Jonikas将衣藻突变库比喻成汽车构造手册，丢失一个部件的汽车无法按预期运行。“喇叭可能不响，或者方向盘不转，”Jonikas说。“那么你就会知道缺失的部分包含了汽车哪部分零件。”

当研究人员将数千个衣藻放在一个烧瓶中，让它们暴露在光下，未能生长的菌株缺失的更有可能是参与光合作用的基因。

新发现之一，CPL3基因被认为在积累光合机器的蛋白质“部分”起到作用。研究小组正在探索这种基因是否有助于藻类根据日照水平来调节其光合活性。

突变文库还可以进行其他植物生物学领域研究，例如细胞内通讯和衣藻利用尾巴状纤毛在周围环境中游动等等。

Xiaobo Li是这项研究的第一作者，是普林斯顿大学的博士后研究员。“我们希望衣藻突变文库和所鉴定的基因能够为光合作用、细胞运动和其他过程带来基本发现。”

高级生物信息学分析师Weronika Patena编写了用来分析大数据的计算机程序，从而找出可能参与光合作用的基因。她说：“我相信这个项目的成功将大大加快光合作用过程研究，衣藻是一个很好的模式。”

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原文检索：A genome-wide algal mutant library and functional screen identifies genes required for eukaryotic photosynthesis

（生物通：伍松）