[科研前线│CIRAS-3/Chlorolab2+]光子晶体慢光子效应可以增强小球藻光合作用

植物光合作用被认为是减少二氧化碳水平以实现全球碳中和目标的一种有效措施。目前，研究人员致力于通过改善天线色素光捕获、电子传输、暗反应中的关键酶活性等来提高光合效率。光的吸收是光合作用的驱动力和必要前提，通过材料工程或生物工程改善光捕获是优化光合作用的一种直接而有前途的方法。

 在热带雨林中，有一种秋海棠（B.pavonina），叶片呈亮蓝色，与普通植物不同，它的基粒类囊体呈周期性地光子晶体（PC）结构排列（图1）。这种特殊结构显著增强了光合色素对绿光的吸收，使光合量子产量比大多数植物高出5%−10%。PC是一种具有光子带隙（PBG）的周期性有序微结构材料，有助于操纵光与介质的相互作用。在该PBG的边缘（红带边缘和蓝带边缘），光传播速度将显著降低。正是这种“慢光子效应”增强了光合色素和入射光之间的相互作用时间，从而提高了光吸收和转换效率。

图1（a）秋海棠叶片 （b和c）叶片透射电镜图像（d）叶子的反射光谱

受秋海棠结构特征的启发，东南大学顾忠泽课题组将PC水凝胶材料与蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa，C.pyre）（一种真核绿藻植物）组装在一起，并利用慢光子效应和人工天线，将光合效率（氧气释放速率和碳固定速率）提高了200%。该方法消除了对复杂仪器和复杂技术手段的需求，避免了传统方法不可避免的光漂白和生物安全问题。研究内容“Begonia-Inspired Slow Photon Effect of aPhotonic Crystal for Augmenting Algae Photosynthesis”发表在ACS Nano（IF=18.027）杂志上。

通过比较这三种不同波长（蓝光、红光和绿光）PC水凝胶对C.pyre光合作用的影响，可以更清楚地了解慢光子效应的作用和机制。作者使用英国Hansatech公司的Chlorolab2+（液相氧电极测定系统）和美国PP Systems公司的CIRAS-3（便携式光合作用测定系统）分别测定氧气释放速率（OER）和碳固定速率（CSR），结果表明，Blue-PC/HACC/C. pyre and Red-PC/HACC/C. pyre的光合效率的显著提高（图3a，b，c，表1和 图4）。

图2 便携式光合作用测定系统测定藻类碳固定速率

图3 （a）归一化紫外−可见吸收光谱和反射光谱。（b和c）白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧气释放速率（OER）和碳固定速率（CSR）（d）不同光下PC/HACC/C. pyre的氧气释放速率（OER）（e）不同PC/HACC/C. pyre的叶绿素荧光参数

为了阐明是PC材料的慢光子效应提高了光合色素的捕光能力，作者在不同的单色光照射下测量了不同系统的OER（图3d和图4）。结果表明，PC材料大大提高了光合色素在相应的慢光子带内的捕光能力，从而提高了光合活性。

表1 白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧气释放速率（OER）和碳固定速率（CSR）

 同时，为了直接分析光合色素对光能的吸收和捕获，作者使用英国Hansatech公司的Handy PEA植物效率分析仪对相关参数进行了测定分析。如图3e所示，Red-PC/HACC/C. pyre的光能吸收（ABS/RC）和捕获（TRo/RC）性能明显优于Hy/HACC/C. pyre。随后在电子传递链中的电子转移（ETo/RC）和电子受体还原能力（REo/RC）也得到了相应的改善。PSII最大光化学效率（Fv/Fm）由于捕获和吸收能量的同步增加而略有增加。在相同条件下，不含C. pyre的Red-PC/HACC没有有效值，说明是光能利用的提高促进了光合性能的提高。由于的Handy PEA的光源是红光，而Blue-PC和Green-PC在这种情况下不能工作，因此Blue-PC/HACC/C. pyre和Green-PC/HACC/C. pyre的结果与Hy/HACC/C. pyre相同。

图4 白光下不同PC/HACC/C. pyre的氧气释放速率（OER）

另外，作者使用阳离子共轭聚合物PFTP代替HACC，显示出与上述结果一致的趋势。

图5（a和b）白光下不同PC/PFTP/C. pyre氧气释放速率（OER）和碳固定速率（CSR）（c）Red-PC/PFTP/C. pyre的叶绿素荧光参数（d、e、f和g）不同光强下psbA, psaB, chlB, and rbcL相对表达量和ROS水平（h）生长曲线（i）白光下PC/PFTP/C. pyre脂质含量

综上所述，在慢光子效应和人工天线特性的协同影响下，蛋白核小球藻的光合效率提高了200%以上。本研究认为，PC水凝胶的慢光子效应可以用来克服光合色素的低效的光能利用，增强光合作用。