來源：中科院之聲

作者：中國科學(xué)院植物研究所

顆石藻是海洋中的主要浮游植物之一，在海洋碳沉積和全球碳循環(huán)中扮演重要角色。顆石藻能夠適應(yīng)海水不同深度的多變光環(huán)境，高效的光合自養(yǎng)生長可助其快速繁殖。但顆石藻光系統(tǒng)復(fù)合物高效捕獲和利用光能的微觀機理并不清楚，進化機制也未見報道。

中國科學(xué)院植物研究所首次在原子層面揭示了顆石藻通過擴展和優(yōu)化其光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)海洋光環(huán)境的獨特策略，是光合生物適應(yīng)進化研究中的一個重大發(fā)現(xiàn)。

01

獨特結(jié)構(gòu)拓展捕光面積

研究團隊首次純化并解析了來自赫氏艾米里顆石藻的光系統(tǒng)I-巖藻黃素葉綠素a/c結(jié)合蛋白（PSI-FCPI）超級復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)。

顆石藻PSI-FCPI超級復(fù)合物是一個巨大光合膜蛋白機器，由51個蛋白亞基和819個色素分子組成，分子量高達1.66兆道爾頓，遠超已報道的真核生物PSI捕光天線復(fù)合物。它的捕光截面是典型陸地植物（豌豆）PSI超級復(fù)合物的4倍-5倍。

飛秒瞬態(tài)吸收光譜結(jié)果表明，顆石藻PSI-FCPI捕獲光能的量子轉(zhuǎn)化效率超過95%，與陸地植物PSI超級復(fù)合物效率相當(dāng)，說明顆石藻PSI-FCPI具備特殊的蛋白組裝和能量傳遞特征。

研究發(fā)現(xiàn)，顆石藻的PSI核心周圍環(huán)繞著38個FCPI捕光天線，并以模塊化的方式排列成8個放射狀排布的捕光天線條帶。這種“旋渦圍繞”PSI核心的巨型捕光天線依靠大量新型捕光天線的精密裝配，極大地擴展了捕光面積。

顆石藻光系統(tǒng)I-捕光天線超大復(fù)合物結(jié)構(gòu)及其能量轉(zhuǎn)化效率

02

色素特性保證轉(zhuǎn)化效率

研究團隊還鑒定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類型的類胡蘿卜素，這些色素在新發(fā)現(xiàn)的捕光天線中含量極高，使其能有效地吸收深水區(qū)波長在460納米-540納米間的藍綠光和綠光。

大量葉綠素c與葉綠素a形成了緊密的能量耦聯(lián)并消除了能量陷阱，構(gòu)成了平坦暢通的能量傳遞網(wǎng)絡(luò)，這可能是其保持超高量子轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。

顆石藻光系統(tǒng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析和機理研究，為理解光合生物高效的能量轉(zhuǎn)化機制提供了新的結(jié)構(gòu)模型。未來，以此研究為基礎(chǔ)，有望設(shè)計新型光合作用蛋白，并進一步指導(dǎo)人工模擬和開發(fā)高碳匯生物資源。