硅藻特有捕光天線蛋白複合體結構研究取得突破

硅藻是海洋中最「成功」的浮游光合生物之一，它們通過光合作用貢獻了地球上每年約20%的原初生產力，且在地球的元素循環和氣候變化中發揮重要作用，這與硅藻特有的捕光天線蛋白「岩藻黃素-葉綠素a/c蛋白複合體」（Fucoxanthin chlorophylla/cprotein，FCP）的功能密切相關。硅藻的FCP複合體具有出色的藍綠光捕獲能力和極強的光保護能力，這是硅藻能夠在海洋中繁盛的重要原因之一。

硅藻的FCP複合體屬於捕光天線蛋白複合體（Light harvesting complex，LHC）超級家族，但其氨基酸序列與高等植物和綠藻的葉綠素a/b捕光天線蛋白的同源性很低，而且最為突出的是FCP結合大量岩藻黃素和葉綠素c，能夠捕獲藍綠光以適應水下弱光環境。同時，FCP結合的岩藻黃素和硅甲藻黃素參與建立硅藻的超級光保護機制可以幫助這種浮游生物適應海水表面的強光環境。然而硅藻FCP複合體的結構長期沒有得到解析，限制了硅藻光合作用機理的研究。

中國科學院植物研究所沈建仁和匡廷雲團隊一直致力於高等植物和藻類捕光天線蛋白的研究工作，通過多種手段解析了一種羽紋綱硅藻——三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）FCP二聚體1.8埃的晶體結構。研究人員發現，每個FCP單體中結合7個葉綠素a、7個岩藻黃素、2個葉綠素c、1個硅甲藻黃素和一些脂類及去垢劑分子；每個葉綠素c分子分別與2個葉綠素a分子成簇，並與其中一個葉綠素a分子緊密耦合，葉綠素c的原卟啉環結合在葉綠素a和岩藻黃素之間；每個葉綠素簇內部的葉綠素距離都在3.5埃左右，可以使能量快速高效地傳遞；FCP二聚體內部的葉綠素距離都在10埃以內，使激發能達到快速的平衡和傳遞。

研究人員還發現，FCP單體中有6個岩藻黃素分子插入到光合膜內，另1個新型的岩藻黃素分子水平結合在膜表面，這拓展了類胡蘿蔔素在捕光天線蛋白中的結合方式，提高了其綠光捕獲能力；所有岩藻黃素與葉綠素距離都在4埃之內，使其捕獲的光能可以高效地向葉綠素傳遞，同時也可能使岩藻黃素成為光保護的有效成員；硅甲藻黃素分子與FCP蛋白結合較弱，以便於參加到硅藻的類胡蘿蔔素循環中，進而使得硅藻適應從水下到水面的快速劇烈的光環境變化。

該研究首次描繪了葉綠素c和岩藻黃素在硅藻光合膜蛋白中的結合細節，闡明了葉綠素和岩藻黃素在FCP複合體中的空間排布，揭示了葉綠素c和岩藻黃素捕獲藍綠光並高效傳遞能量的結構基礎；首次揭示了FCP二聚體的結合方式，對幾十年來硅藻主要捕光天線蛋白聚合狀態研究提供了第一個明確的實驗證據。研究成果為揭示光合作用光反應拓展捕光截面和高效捕獲傳遞光能機理，以及硅藻超強的光保護機制提供了堅實的結構基礎；為實現光合作用寬幅捕獲和快速傳遞光能的理論計算提供了可能，為人工模擬光合作用機理提供了新理論依據；為指導設計新型作物、拓展捕光截面、防止光破壞提供了新思路和新策略。

該研究成果於2月8日在國際學術期刊《科學》（Science）以長文（Online Research Article）形式發表，文章題為Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms。匡廷雲與沈建仁為論文通訊作者，王文達和於龍江為論文共同第一作者。該項目得到日本岡山大學的合作研究支持，並得到上海同步輻射光源、日本SPring-8和KEK同步輻射光源、瑞士SLS同步輻射光源的技術支持。中國科技部國家蛋白質重點研發計劃、中組部人才項目以及中科院先導專項、前沿重點項目和院長基金提供了經費支持。

三角褐指藻類囊體膜上的FCP二聚體晶體結構。a和b：FCP蛋白晶體；蛋白中的葉綠素a（綠色），葉綠素c（洋紅色）和岩藻黃素分子結構分別以棍狀圖顯示，藍色為硅甲藻黃素。

來源：中國科學院植物研究所

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