Enhancing photosynthesis at high light levels by adaptive laboratory evolution

光合作用 生物 植物 环境科学
作者
Marcel Dann,Edgardo M. Ortiz,Moritz Thomas,Arthur Guljamow,Martin Lehmann,Hanno Schaefer,Dario Leister
出处
期刊:Nature plants [Springer Nature]
卷期号:7 (5): 681-695 被引量:34
标识
DOI:10.1038/s41477-021-00904-2
摘要

Photosynthesis is readily impaired by high light (HL) levels. Photosynthetic organisms have therefore evolved various mechanisms to cope with the problem. Here, we have dramatically enhanced the light tolerance of the cyanobacterium Synechocystis by adaptive laboratory evolution (ALE). By combining repeated mutagenesis and exposure to increasing light intensities, we generated strains that grow under extremely HL intensities. HL tolerance was associated with more than 100 mutations in proteins involved in various cellular functions, including gene expression, photosynthesis and metabolism. Co-evolved mutations were grouped into five haplotypes, and putative epistatic interactions were identified. Two representative mutations, introduced into non-adapted cells, each confer enhanced HL tolerance, but they affect photosynthesis and respiration in different ways. Mutations identified by ALE that allow photosynthetic microorganisms to cope with altered light conditions could be employed in assisted evolution approaches and could strengthen the robustness of photosynthesis in crop plants. Iterating mutagenesis and exposure to increasing light dramatically enhanced the light tolerance of a Synechocystis cyanobacterium strain. This involved over 100 mutations grouped around five haplotypes, as well as putative epistatic interactions.

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