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Genetic modulation of light-harvesting complex in chlorella to improve photosynthetic efficiency and biomass productivity = 클로렐라 광수용 안테나의 유전적 변형을 통한 광합성 효율과 바이오매스 생산성 향상
서명 / 저자 Genetic modulation of light-harvesting complex in chlorella to improve photosynthetic efficiency and biomass productivity = 클로렐라 광수용 안테나의 유전적 변형을 통한 광합성 효율과 바이오매스 생산성 향상 / Won-Sub Shin.
저자명 Shin, Won-Sub ; 신원섭
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

Microalgae have been proposed as eco-friendly feedstocks for various kinds of products, from biofuels to value-added products. Microalgae can accumulate a large amount of biomass through photosynthesis. However, the photosynthetic efficiency of microalgae is not high enough to achieve economically feasible production system, partly due to oversized antenna that causes shading effects under large scale cultivation. In an effort to overcome this issue, mutants with truncated light-harvesting chlorophyll antenna (tla) were generated by ethyl methanesulfonate (EMS)-mediated mutagenesis of Chlorella vulgaris. The tla mutant, designated E5, exhibited 56.5 and 75.8% decrease in chlorophyll a and b contents, respectively, with partial reductions in the expression levels of light-harvesting complex proteins of the photosystem II. The saturated photosynthetic activity and relative electron transport rate (rETR) of the E5 mutant significantly increased under the high light condition, and non-photochemical quenching (NPQ) was reduced, compared to wild type. Consequently, the E5 mutant showed 44.5% improvement in biomass productivity under high light $(200 μmol photons m^{-2} s^{-1})$. In order to reveal the mutation responsible for the phenotype changes, we carried out the whole genome sequencing, followed by identification of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the coding sequences. A point mutation (T to A) was found in the gene encoding a protein with 468 amino acids, which was homologous to chloroplast-localized signal recognition particle 43 kDa protein (CpSRP43) of Chlamydomonas reinhardtii. The 102nd amino acid in the CpSRP43 homologous protein in E5 was changed from valine to glutamic acid (V102E) in the first chromodomain conserved in plants and green algae. Complementation of E5 with a wild type copy of CpSRP43 partially recovered its phenotypes to wild type, including pigment contents, expression levels of light-harvesting complex proteins, rETR, NPQ and growth. In conclusion, the single amino acid change (V102E) in CpSRP43 resulted in the truncation of light-harvesting complex, and can be the target for genetic engineering to improve photosynthetic efficiency and biomass productivity in industrial microalgae including Chlorella.

담수 미세조류인 클로렐라 불가리스는 다양한 환경에서도 비교적 높은 바이오매스 생산성을 나타내어 상업적으로 바로 이용 가능한 종으로 주목 받고 있다. 클로렐라 불가리스를 비롯한 여러 미세조류는 생장에 필요한 에너지를 광합성을 통해 얻지만, 대량 및 고농도 배양 시스템하에서는 광합성 효율이 크게 저하되는 문제가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 클로렐라 불가리스에 랜덤 돌연변이를 유도하여 광수용 안테나가 줄어든 돌연변이체 E5를 선별하였다. E5는 엽록소 a 와 엽록소 b 함량이 각각 56.5%, 75.8% 만큼 감소하였으며, 광수용 안테나를 구성하고 있는 단백질이 야생종에 비해 부분적으로 줄어들었다. 높은 광도에서 E5의 산소발생률과 전자전달률이 크게 증가한 반면, 흡수된 빛 에너지가 열의 형태로 소모되는 과정인 NPQ 는 감소하였다. 결과적으로 높은 광도 $(200 μmol photons m^{-2} s^{-1)$에서 E5의 바이오매스 생산성이 44.5% 향상되었다. E5에서 발생한 돌연변이를 규명하기 위하여 야생종과 E5의 유전자서열을 분석하고 코딩 서열을 예측하였다. E5의 CpSRP43 유사 단백질 코딩 서열에서 T가 A로 변한 돌연변이가 발견되었고, CpSRP43 유사단백질의 102 번째 아미노산이 발린에서 글루탐산으로 바뀌는 것으로 확인되었다. 야생종의 CpSRP43 유사단백질 코딩 서열을 클로닝하여 E5를 형질 전환시킨 결과, 색소 함량, 광수용 안테나를 구성하는 단백질량, rETR, NPQ 및 세포 성장 측면에서 형질이 복원되었다. 본 연구에서 클로렐라 불가리스의 CpSRP43 유사단백질에서 발생한 단일 아미노산의 변화로 인하여 광수용 안테나가 줄어들고, 높은 광도에서 생산성을 높일 수 있다는 것을 규명하였다. 또한 CpSRP43 유전자는 미세조류에서 광합성 효율과 바이오매스 생산성을 높이기 위한 좋은 타겟 유전자로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 18015
형태사항 iv, 72 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 신원섭
지도교수의 영문표기 : Yong Keun Chang
지도교수의 한글표기 : 장용근
수록잡지명 : "Truncated light-harvesting chlorophyll antenna size in Chlorella vulgaris improves biomass productivity". Journal of Applied Phycology, 28, 3193-3202(2016)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 60-67
주제 Microalgae
Chlorella vulgaris
Random mutagenesis
Light-harvesting complex
Photosynthesis
Biomass
CpSRP43
미세조류
클로렐라 불가리스
랜덤 돌연변이
광수용 안테나
광합성
바이오매스
CpSRP43
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