海洋聚球藻是单细胞浮游植物,在世界海洋的绝大部分区域都广泛存在。对全球叶绿素生物量和初级生产力具有重要贡献,在海洋生态系统的碳循环及食物链中扮演着举足轻重的角色。各种逆境胁迫,如强光、高/低温、高盐、营养限制等都会引起细胞氧化损伤,而这些逆境在蓝藻的栖息地经常会发生。超氧化物歧化酶（SODs）是有氧环境中有机体减轻氧化胁迫的第一道屏障,根据其螯合的金属离子不同,一般有FeSOD、MnSOD、Cu/ZnSOD和NiSOD四种类型,编码基因分别为sodB、sodA、sodC和sodNo其中FeSOD和MnSOD在蓝藻中已被广泛研究,而关于蓝藻Cu/ZnSOD和NiSOD的研究很少。目前对海洋聚球藻进行遗传操作的技术还没有得到广泛应用,两种SODs需要螯合相应的金属离子才能起作用,因此本研究采用痕量金属洁净技术来研究其功能,同时以遗传操作成熟的Synechocystis sp.6803作为转基因宿主来研究Cu/ZnSOD和NiSOD的功能,具体研究内容和结果如下：海洋聚球藻海岸株Synechococcus sp. CC9311含有两个可能的SODs编码基因,而大洋株Synechococcus sp. WH8102基因组中仅含有一个NiSOD编码基因。本论文首先研究了铜（Cu）或镍（Ni）限制,以及二者共限制对两株海洋聚球藻生长和光合作用的影响。缺Cu和Ni限制了聚球藻生长,只有当这两种营养元素同时加到培养基中时,藻株的生长速率才可以达到最大值。实验藻株中需镍的蛋白有脲酶和NiSOD;需铜的蛋白有质体蓝素（PC）、细胞色素氧化酶和Cu/ZnSOD。本实验采用NaNO3作为氮源,Ni限制时脲酶对藻株生长的影响可忽略,Cu限制时质体蓝素可被细胞色素c6取代,细胞色素氧化酶突变后可诱导胞内SOD的表达,这表明Ni限制或Cu限制条件下SODs在两个藻株的生长过程中发挥重要作用。本研究证实Synechococcus sp. CC9311两个可能的SODs编码基因：sync0755和sync1771,具有SOD活性。根据它们蛋白序列中存在保守的Ni或Cu结合位点及信号序列,确定sync0755和sync1771分别编码NiSOD和Cu/ZnSOD。亚细胞定位结果表明NiSOD位于细胞质中,Cu/ZnSOD位于细胞质和类囊体膜。信号肽预测软件（Singal P）分析Cu/ZnSOD N端含有明显的信号肽切割位点,结合定位的结果,认为Cu/ZnSOD很可能是一个类囊体内腔蛋白。免疫印迹实验表明Cu限制时,藻株中NiSOD的量没有明显变化,表明在海洋聚球藻中NiSOD不能完全补偿Cu/ZnSOD的功能,这可能与它们不同的亚细胞定位有关。已有研究报道Synechococcus sp. WH8102中含有质体醌末端氧化酶（PTOX）,在PSI活性下降时对PSII电子传递进行分流,防止PSII过度激发。两种藻株在Cu限制时,全链电子传递活性显著增强,暗示Synechococcus sp.CC9311中可能也存在PTOX类似蛋白从电子传递链抽提电子,与类囊体膜相连的Cu/ZnSOD介导的水水循环也可能是Synechococcus sp. CC9311缺Cu时全链电子传递加快的另一个原因。Synechococcus sp. CC9311中的NiSOD敲除致死,故在模式蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803’中外源表达NiSOD来研究其功能。由于NiSOD的加工与成熟是个复杂的过程,需要多个分子伴侣蛋白,并存在翻译后加工。虽然做了各种尝试,在转基因藻株中仍然检测不到NiSOD表达信号。Synechocystis sp. PCC 6803只含有一个sod基因,编码FeSOD,直接在该sod基因内部插入卡纳霉素抗性片段不能将其完全失活,只能得到敲降株。当野生型Synechocystis sp. PCC 6803中的sodB启动子被替换成受铜离子调控的petE启动子,可获得完全分离的PpetE-sodB藻株。当该藻株培养在缺Cu的BGI1培养基中时,细胞内几乎不存在FeSOD活性,此时Chla含量显著下降,生长显著抑制,藻株在第8天时几乎死亡,而在同样的条件下野生型藻株生长正常。这些结果表明,sodBSynechocystis sp. PCC 6803光合自养生长所必需的基因。sodB基因被敲降,使得藻株对甲基紫晶处理生成的超氧阴离子及氟草敏处理生成的单线态氧所造成的氧化胁迫更加敏感。即使在sodB敲降株中外源表达来自Synechococcus sp. CC9311的Cu/ZnSOD,是sodB仍然不能被完全敲除,这意味着Cu/ZnSOD不能完全互补FeSOD的功能。异源表达sodC增加了Synechocystis sodB敲降株对氧化胁迫的耐受性,及藻株光损伤PSII的修复能力,但并不能保护PSII免受光损伤,说明Cu/ZnSOD可以减轻强光所产生的氧化损伤,在PSII修复过程中起一定作用,而FeSOD并不参与修复受光损伤的PSⅡ。Cu/ZnSOD转化Synechocystis sp. PCC6803后,利用双相法和蔗糖密度梯度离心分离膜系统,对两种SODs进行定位,Cu/ZnSOD很可能定位于类囊体内腔,而FeSOD位于细胞质中。不同类型SODs的不同亚细胞定位造成了其功能上的差异,多种SODs的存在为蓝藻进化以及适应各种环境提供了一定基础。