微藻光解水制氫因其綠色、可再生的特性，被視為解決未來能源危機(jī)的潛在途徑之一。然而，該過程的核心矛盾在于：氫化酶對氧氣極度敏感，而光系統(tǒng)II（PSII）在分解水產(chǎn)生電子的同時(shí)會(huì)釋放氧氣。傳統(tǒng)的硫剝奪策略雖能通過下調(diào)PSII活性來營造厭氧環(huán)境，卻不可避免地限制了氫化酶所需的電子供應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)氫效率低下。如何在維持厭氧條件的同時(shí)，保障充足的電子流供給，是制約微藻生物制氫應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

近日，西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院付愛根/王菲團(tuán)隊(duì)在國際權(quán)威期刊The Plant Journal在線發(fā)表了一篇題為TEF8 regulates H2photoproduction by destabilizing PSII supercomplexes in Chlamydomonas的研究論文。該研究鑒定到一個(gè)衣藻光解產(chǎn)氫的全新負(fù)調(diào)控因子—類囊體膜磷酸酶TEF8，揭示了其在硫剝奪條件下通過調(diào)控PSII亞基的去磷酸化，進(jìn)而影響PSII超復(fù)合體穩(wěn)定性及光合電子流分配，最終實(shí)現(xiàn)對光解水制氫效率精細(xì)調(diào)控的分子機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)通過對多個(gè)光合作用突變體的系統(tǒng)篩選，發(fā)現(xiàn)類囊體磷酸酶TEF8的缺失能夠顯著提升萊茵衣藻在硫剝奪條件下的光解水制氫產(chǎn)量，表明TEF8是該過程中一個(gè)關(guān)鍵的負(fù)調(diào)控因子。進(jìn)一步研究表明，tef8突變體在硫剝奪條件下能夠維持更高的PSII光化學(xué)活性和電子傳遞效率，其PSII超復(fù)合體的穩(wěn)定性顯著優(yōu)于野生型，核心亞基的降解受到明顯抑制。這種對PSII的保護(hù)作用確保了持續(xù)的光合電子流供給，為氫化酶提供了充足的還原力。分子實(shí)驗(yàn)證據(jù)揭示，TEF8通過其磷酸酶活性調(diào)控PSII核心亞基D2及捕光蛋白CP29的去磷酸化，從而促進(jìn)PSII在脅迫條件下的降解。當(dāng)TEF8功能喪失時(shí)，PSII亞基維持高磷酸化狀態(tài)，超復(fù)合體更趨穩(wěn)定，電子傳遞得以持續(xù)。TEF8磷酸酶失活的點(diǎn)突變株完全重現(xiàn)了tef8的高產(chǎn)氫表型，證實(shí)了TEF8的催化活性在這一調(diào)控環(huán)節(jié)中起到核心作用(見工作模型圖)。

TEF8調(diào)控硫脅迫下萊茵衣藻光解水制氫的工作模型

綜上，該研究發(fā)現(xiàn)TEF8可作為PSII穩(wěn)定性與制氫效率之間的分子開關(guān)，揭示了一種光合制氫調(diào)控新策略：通過抑制PSII在脅迫條件下的過度降解來維持更持久的電子輸出，從而打破產(chǎn)氫與產(chǎn)氧之間的矛盾制約。此工作是團(tuán)隊(duì)在衣藻光合作用調(diào)控領(lǐng)域系列研究的延伸與深化【1-4】，為未來借助合成生物學(xué)手段改造微藻、實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)的生物光解水制氫提供了關(guān)鍵的理論支撐。

西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院碩士研究生王小玉、博士研究生姚強(qiáng)為論文的共同第一作者。西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王菲副教授和付愛根教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、陜西省基礎(chǔ)科學(xué)（化學(xué)、生物學(xué)）研究院及陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃的資金支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yao Q, Dong J, Zhang T, Cao H, Yu J, Wang X, Li B, Zhu L, Wang Y, Fu A, Wang F. (2025) Dimerization of immunophilin CYN38 regulates photosystem II repair in Chlamydomonas. Plant, Cell & Environment. 48: 5637-5649

[2] Dong J, Hou J, Yao Q, Wang B, Wang J, Shen X, Lai K, Ge H, Wang Y, Xu M, Fu A, Wang F. (2024) The thylakoid phosphatase TEF8 is involved in state transition and high light stress resistance in Chlamydomonas. Plant Journal. 120: 2138-2150

[3] Guo J, Yao Q, Dong J, Hou J, Jia P, Chen X, Li G, Zhao Q, Wang J, Liu F, Wang Z, Shan Y, Zhang T, Fu A, Wang F. (2024) Immunophilin FKB20-2 participates in oligomerization of Photosystem I in Chlamydomonas. Plant Physiology. 194: 1631-1645

[4] Fu W, Cui Z, Guo J, Cui X, Han G, Zhu Y, Hu J, Gao X, Li Y, Xu M, Fu A, Wang F. (2023) Immunophilin CYN28 is required for accumulation of photosystem II and thylakoid FtsH protease in Chlamydomonas. Plant Physiology. 191: 1002-1016

論文鏈接：

https://doi.org/10.1111/tpj.70997