中國學者Science揭示硅藻光合作用結構原子水平的三維結構

由清華大學隋森芳院士率領的研究團隊與該所沈建仁研究員、匡廷雲院士率領的團隊合作，在國際上首次解析了一種中心綱硅藻——Chaetoceros gracilis的光系統II-捕光天線超級複合體的3.0 埃解析度的三維結構，為光合作用的理論計算和人工模擬光合作用研究提供了新理論依據，同時為後續指導設計新型作物、提高作物的捕光和光保護效率提供了新思路。該成果於8月2日發表在國際著名學術期刊《科學》上。

圖片來源：Science

據介紹，硅藻是海洋主要的浮游生物之一，貢獻了地球上每年原初生產力的20%左右，且在生物地球化學循環中起著重要作用，這些特徵與其光系統以及外周捕光天線的功能密切相關。不同於綠藻和高等植物，硅藻光系統II（PSII）的外周捕光天線是結合了岩藻黃素和葉綠素a/c的蛋白（FCPs），具有強大的藍綠光捕獲能力和快速光適應能力。然而硅藻PSII-FCPII超級複合體的能量傳遞、轉換和光保護機制長期未得到闡明。

研究人員利用單顆粒冷凍電鏡技術解析發現，硅藻的PSII-FCPII超級色素蛋白複合體由兩個單體組成，包含230個葉綠素a分子、58個葉綠素c分子、146個類胡蘿蔔素分子、以及錳簇複合物、電子傳遞體和大量的脂分子等；硅藻PSII-FCPII的反應中心與藍藻和紅藻相似，但是具有額外的兩個核心亞基和一個特有的外周放氧亞基，且各外周天線亞基排列方式與已知的綠藻和高等植物明顯不同。研究人員在硅藻PSII-FCPII複合體中發現了多條捕光天線向反應中心的能量傳遞途徑，以及可能的重要非光化學淬滅位點和保護放氧反應中心。

沈建仁和匡廷雲團隊一直致力於高等植物和藻類光系統和捕光天線蛋白的研究工作。2019年初，該團隊首次報道了羽紋綱硅藻——三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃解析度的晶體結構，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。此次成果是該合作團隊在前期光合膜蛋白結構與功能研究工作的拓展。

《科學》同期刊發了德國光合作用研究專家Claudia Büchel教授撰寫的評述「How diatoms harvest light」，稱讚硅藻的兩個研究成果是「該領域突出的研究工作」「這兩項研究工作揭示了硅藻FCP捕光天線複合體的多樣性和柔性，對於研究光合生物LHC超級家族成員在不同光環境條件下實現多樣的光能捕捉功能具有重要意義，是一項里程碑式的工作」。

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