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。
近日，中國科學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)結構來適應海洋光環(huán)境的獨特策略，是光合生物適應進化研究中的一個重大發(fā)現。
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結合蛋白（PSI-FCPI）超級復合物三維結構。
顆石藻PSI-FCPI超級復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捕光天線復合物。它的捕光截面是典型陸地植物（豌豆）PSI超級復合物的4倍-5倍。
飛秒瞬態(tài)吸收光譜結果表明，顆石藻PSI-FCPI捕獲光能的量子轉化效率超過95%，與陸地植物PSI超級復合物效率相當，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，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。
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并消除了能量陷阱，構成了平坦暢通的能量傳遞網絡，這可能是其保持超高量子轉化效率的關鍵。
顆石藻光系統(tǒng)復合物的結構解析和機理研究，為理解光合生物高效的能量轉化機制提供了新的結構模型。未來，以此研究為基礎，有望設計新型光合作用蛋白，并進一步指導人工模擬和開發(fā)高碳匯生物資源。
9月12日，相關研究成果作為封面論文發(fā)表在《科學》（Science）上。
論文鏈接
顆石藻光系統(tǒng)I-捕光天線超大復合物結構及其能量轉化效率
本文鏈接：科學家破解顆石藻光系統(tǒng)復合物高效利用光能的分子機制http://www.sq15.cn/show-12-1753-0.html
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