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蓝藻是一类能利用光能还原二氧化碳（CO2）为有机物的光合自养原核生物。与高等植物相比,蓝藻具有光合效率高、生长速度快、可不占用耕地、易于基因操作等优势。随着生长速度与异养微生物酿酒酵母相仿的速生蓝藻的出现,蓝藻在光合生物固碳的研究和应用中愈加受到重视。集胞藻PCC 6803（即集胞藻6803）是最早完成基因组测序的模式蓝藻,也是常用的光合固碳产化学品底盘细胞。随着蓝藻代谢工程及合成生物学的发展,经过工程改造的集胞藻6803已经可以将CO2转化为乙醇、异丙醇、异戊二烯等十几种化学品。但该藻只能利用低光强的光,最适光强为50～100 μmol m-2 s-1。与之相应,该藻生长慢,倍增时间长达8 h,目标化学品生产周期长且产量低。因此,筛选出能在高光强下快速生长、生物量高、胁迫耐受能力强的集胞藻6803突变株,并研究其分子机制,对推动蓝藻光合生物固碳的发展具有重要意义。本论文对课题组前期实验获得的、能在中等光强250 μmol m-2 s-1 下正常生长的集胞藻6803突变株（命名为高光6803）进行了光合生理分析,表征了其对高光、高温、高盐、强碱等环境因子的耐受能力,并通过与集胞藻6803野生型（命名为野生型6803）的比较基因组及转录组学分析,初步解析高光6803在高光强下快速生长的机制,并测试其利用CO2生产目标化学品的能力。主要研究结果如下:1、通过生长实验,发现高光6803在900 μmol m-2 s-1的高光强下仍可正常生长,且生物量超过野生型6803两倍。通过测定胞内主要光合色素含量,发现高光6803胞内叶绿素a的含量比野生型6803提高了 40%。利用光合放氧仪测定出高光6803的光合放氧速率是野生型6803的近5倍。利用叶绿素荧光仪测定了光系统Ⅱ（PSⅡ）与光系统Ⅰ（PSⅠ）的叶绿素荧光动力学,发现与野生型6803相比,高光6803的光饱和点提高了 56%,通过非光化学淬灭进行自我光保护的能力提高了 2.65倍,且PSⅡ与PSⅠ光合效率分别提高了 94%与90%。2、通过比较基因组学分析,发现高光6803基因组中有5个基因的突变未在其他速生蓝藻中报道,分别为编码Ⅳ型菌毛蛋白PilT2的sll1533基因、编码应答调控因子RpaB的slr0947基因、编码ATP依赖型Clp蛋白酶调控亚基ClpC的sll0020基因、编码青霉素结合蛋白1B的sll1434基因和编码带有跨膜螺旋结构假设蛋白的slr0914基因。这些基因突变很可能与其高效利用、强光快速生长有关。本研究尝试用CRISPR/Cas9方法将这5个突变分别引入野生型6803中,但尚未获得突变株。3、通过高温、高盐及强碱环境胁迫实验,本研究发现高光6803具有比野生型6803更强的高温、高盐耐受能力。开展了高光6803与野生型6803在高光、高光高温、高光高盐等胁迫条件下的比较转录组分析后,发现在高光条件下,高光6803共有77个基因发生了差异化表达（36个上调,41个下调）;在高光高温条件下,高光6803共有9个基因发生了差异化表达（2个上调,7个下调）;在高光高盐条件下,高光6803共有78个基因发生了差异化表达（34个上调,44个下调）。本研究将高光6803中这些差异表达基因与代谢途径进行关联,发现上调表达的基因主要与光能捕获、电子传递链、高光胁迫耐受、有机物合成及胞内能量消耗相关,而下调表达的基因主要与糖类、氨基酸等有机物分解相关,提示高光6803通过调控胞内能量与物质代谢平衡来提高对胁迫的耐受能力。4、为检测高光6803利用CO2生产有机物的能力,本研究在高光6803内源甲羟戊酸（MEP）途径基础上,引入源自黄花蒿（Artemisia annua）的法尼烯合酶AaFS,打通了从CO2到β-法尼烯的生物合成途径。通过引入异戊基二磷酸异构酶AaIDI,优化MEP途径,β-法尼烯产量在7天内达到6.6±0.1 mg/L,最高生产强度达2.0±0.4 mg L-1 day-1,是已见报道的蓝藻产β-法尼烯研究的最高水平,表明高光6803具有被开发为光驱高效固碳细胞工厂的潜力。5、为测试能否将高光6803中的电子导出胞外,本研究把源自硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens PCA）的外源导电蛋白OmcS引入高光6803中。虽然OmcS实现表达,但对高光6803的细胞生长与光化学活性提升无作用。在同样能利用高光的聚球藻Syn2973中表达OmcS,则可以将Syn2973的电子导出胞外,PSⅡ与PSⅠ的光化学活性大幅提高,胞内ATP与NADH的含量也分别提高了约30%与60%。转录组分析发现,引入OmcS的Syn2973中上调表达的基因主要与光能吸收、光合固碳等通路相关。OmcS在高光6803中未表现出功能,提示高光6803与Syn2973在能量代谢、物质代谢方面可能存在较大差异。总之,通过本研究发现,高光6803具有更强的光合生理活性、能量代谢调控能力以及更好的环境适应能力,为开发光驱固碳细胞工厂提供了可选择的底盘细胞。比较基因组学和转录组学分析揭示的高光6803特有的突变位点及其调控胞内能量与物质代谢平衡的可能方式,也为后续深入研究高光6803耐高光机制及提高光合生物光能利用效率提供了靶点和参考。