近期，西湖大学生命科学学院PI李小波博士牵头申报的国家重点研发计划“合成生物学”重点专项“真核微藻光合元件的高效挖掘与适配重构”项目成功获批立项。

　　
　　人物简介

　　李小波，2007年毕业于西安交通大学，获得生物工程学士学位。2007-2012年在密歇根州立大学攻读植物学博士学位。先后在斯坦福卡内基研究所（2012-2016）和普林斯顿大学（2016-2018）进行博士后研究。获得了美国遗传学会的DeLill Nasser奖(2016)，国际植物脂类代谢论坛的 Paul Stumpf奖 (2016)，以及美国植物学家协会的Robert Rabson奖 (2016)。于2018年加入西湖大学。
　　
　　这个项目主要研究的是什么？它的价值和应用前景在哪里？
　　这需要从藻类说起。海带、紫菜、裙带菜，这些我们平时经常食用的食物都是藻类。
　　藻类可以分很多种，绿藻、红藻、硅藻、褐藻等等。李小波实验室选择藻类作为主要模式生物，目前主要研究的有两种：一种是叫做莱茵衣藻的淡水绿藻，另一种是名为三角褐指藻的硅藻。这两种藻与我们常见的海带不同，是单细胞物种，作为实验模型具有生长速度快的优势，而且绿藻是最接近陆地农作物生长模式的藻类，它的进化策略更容易应用借鉴到陆地农作物上。而硅藻则是海洋中最丰富的藻类，进化出了多种独特的细胞结构，例如叶绿体被四层膜包被，细胞壁由无机的二氧化硅组成等。

　　李小波实验室制作的两种性别的衣藻徽章

　　设计者：西湖大学2018级博士生 曹度

　　莱茵衣藻是李小波研究了十余年的物种。注意，衣藻虽然个头小（球体直径约为头发丝宽度的十分之一），却有两种性别，可以进行有性生殖。

　　三角褐指藻细胞示意图，本图突出三角褐指藻所属的硅藻的特点：四层膜叶绿体；绿藻与陆地植物为两层。

　　和陆地植物一样，藻类也会进行光合作用。众所周知，光合作用是植物、藻类和一些细菌利用光能，将二氧化碳和水转化为有机物并释放氧气的过程，它为地球上绝大多数生物直接或间接提供能量，是地球碳氧循环的重要媒介。在本项目中，李小波课题组主要研究的就是藻类光合系统的重构与再造，从而借鉴到陆地农作物上，以此提升产量。

　　硅藻的捕光优势——

　　光合作用的多个步骤中存在着能量的损耗，限制了光合作用的效率，而不同物种的主要限制因素则不尽相同。“例如硅藻，先天具有捕光优势，在蓝绿光波段，绿藻和陆地植物是对阳光是基本没有吸收的，但是硅藻却可以捕捉到部分蓝绿光。”李小波介绍道。
　　捕光直接关系到植物光合作用的进行。研究其中的分子机理并加以应用正是李小波课题正在进行的工作。

　　绿藻与硅藻培养瓶

　　“这是因为捕光天线中的蛋白及色素组成不一样。”李小波解释道，“合成生物学的一个方向是造物致用，我们可以利用一些高通量的遗传操作技术将硅藻中特殊的捕光天线蛋白与色素转移到绿藻中去，以此来提高绿藻的光合作用效率，从而在一定条件下，增加绿藻的产量。”
　　绿藻本身可以提供营养添加剂和生物柴油前体脂类等产品。工程改造后的绿藻已经被用来生产药用蛋白。进一步应用到其他陆地农作物上去是李小波研究的目的之一。

　　藻类的固碳优势——

　　光合作用中，二氧化碳的吸收利用（固碳）处于捕光的下游。在固碳方面，相比常见的农作物，例如小麦、水稻，藻类中的绿藻和硅藻都具有一定的优势。“固碳需要一种叫做RuBisCO的蛋白，陆地植物中的RuBisCO是分散在叶绿体中；而藻类中则将RuBisCO聚集成一种叫做蛋白核的团状结构，并通过一些碳转运机制提高蛋白核中的局部二氧化碳浓度，从而增强对二氧化碳的吸收利用。”李小波解释道。
　　“我们想要在生长速度快的细菌中，探索蛋白核这种结构的形成最少需要哪几种辅助蛋白质。而这些关于提高光合作用效率的研究最终可以应用到陆地上的农作物上，从而提升农作物的生物总量。” 李小波补充道。

　　藻类突变体资源库：依托西湖大学高通量平台，李小波实验室可以对10万株不同遗传背景的突变体进行筛选鉴定。图中每一个圆点为一个突变体。
　　关于此次项目申报成功，李小波认为得力于两个很重要的因素：“一是西湖大学快速搭建的先进科研公共平台，例如高通量平台、冷冻电镜平台、质谱平台等，这些我们在做实验都用的到，大大加快了实验进程；第二点与同行交流合作、互动有无是很重要的，与本项目的骨干参与者华东理工大学的范建华博士以及中科院植物研究所的王文达博士的合作对我的研究助益良多。”
　　除了上述提及的领域，李小波课题组还将目光扩大到海洋藻类的进化适应研究。硅藻为何是海洋中最丰富的藻类？四层膜的叶绿体与无机的细胞壁是否为硅藻带来特定环境下的生存优势？目前人类对此知之甚少。依托西湖大学海洋科考资源，他计划在海洋藻类中应用高通量生物学技术进行深入的细胞与分子生物学研究，进而能够更好地开发海洋资源。