中國科學家揭示顆石藻“高效光合秘訣”

【環球網科技綜合報道】9月14日消息，中國科學院植物研究所宣佈，中國科學院植物研究所王文達研究員和田利金研究員帶領團隊首次純化並解析了來自赫氏艾米里顆石藻的光系統I-巖藻黃素葉綠素a/c結合蛋白（PSI-FCPI）超級複合物三維結構，這一研究首次在原子層面揭示了顆石藻通過擴展和優化其光系統結構來適應海洋光環境的獨特策略，是光合生物適應進化研究中的一個重大發現。

該研究為理解光合生物高效的能量轉化機理提供了新的結構模型，對設計新型光合作用蛋白、指導人工模擬和開發高碳匯生物資源具有重要意義。該研究成果於9月12日以封面論文形式發表於國際學術期刊Science上。

據悉，顆石藻是海洋中的主要浮游植物之一，其細胞壁是由碳酸鈣晶體組成的顆石片。顆石藻在白堊紀達到鼎盛，不僅是海洋初級生產力的主要貢獻者，也依靠其碳酸鈣外殼在地層中留下顯著的“白堊”痕跡，因此在海洋碳沉積和全球碳循環中扮演重要角色。顆石藻能夠適應海水不同深度的多變光環境，高效的光合自養生長可助其快速繁殖。但顆石藻光系統複合物如何能高效捕獲和利用光能的微觀機理並不清楚，進化機制也未見報道。

據研究團隊介紹，顆石藻PSI-FCPI超級複合物是一個由51個蛋白亞基和819個色素分子組成的，分子量高達1.66兆道爾頓的巨大光合膜蛋白機器。其分子量遠超已報道的真核生物PSI捕光天線複合物，捕光截面是典型陸地植物（豌豆）PSI超級複合物的4~5倍。飛秒瞬態吸收光譜結果表明，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超級複合物效率相當，説明顆石藻PSI-FCPI具備特殊的蛋白組裝和能量傳遞特徵。

研究發現，顆石藻的PSI核心周圍環繞着38個FCPI捕光天線，包括Lhcr、Lhcf、Lhcq、RedCAP，以及新發現的Lhcq-like亞基，並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Lhcq和Lhcq-like天線的精密裝配，極大地擴展了捕光面積。

此外，研究團隊鑑定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類型的類胡蘿蔔素，這些色素在Lhcq和Lhcq-like類型捕光天線中含量極高，使其能有效地吸收深水區的藍綠光（460~490 nm）和綠光（490~540 nm）。大量葉綠素c與葉綠素a形成了緊密的能量耦聯並消除了能量陷阱，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。（思瀚）