記者日前從中科院植物所獲悉，由清華大學(xué)隋森芳院士率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)與該所沈建仁研究員、匡廷云院士率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)合作，在國際上首次解析了一種中心綱硅藻——Chaetoceros gracilis的光系統(tǒng)II-捕光天線超級復(fù)合體的3.0 埃分辨率的三維結(jié)構(gòu)，為光合作用的理論計(jì)算和人工模擬光合作用研究提供了新理論依據(jù)，同時為后續(xù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)新型作物、提高作物的捕光和光保護(hù)效率提供了新思路。該成果于8月2日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

據(jù)介紹，硅藻是海洋主要的浮游生物之一，貢獻(xiàn)了地球上每年原初生產(chǎn)力的20%左右，且在生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用，這些特征與其光系統(tǒng)以及外周捕光天線的功能密切相關(guān)。不同于綠藻和高等植物，硅藻光系統(tǒng)II（PSII）的外周捕光天線是結(jié)合了巖藻黃素和葉綠素a/c的蛋白（FCPs），具有強(qiáng)大的藍(lán)綠光捕獲能力和快速光適應(yīng)能力。然而硅藻PSII-FCPII超級復(fù)合體的能量傳遞、轉(zhuǎn)換和光保護(hù)機(jī)制長期未得到闡明。

研究人員利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析發(fā)現(xiàn)，硅藻的PSII-FCPII超級色素蛋白復(fù)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個類胡蘿卜素分子、以及錳簇復(fù)合物、電子傳遞體和大量的脂分子等；硅藻PSII-FCPII的反應(yīng)中心與藍(lán)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復(fù)合體中發(fā)現(xiàn)了多條捕光天線向反應(yīng)中心的能量傳遞途徑，以及可能的重要非光化學(xué)淬滅位點(diǎn)和保護(hù)放氧反應(yīng)中心。

沈建仁和匡廷云團(tuán)隊(duì)一直致力于高等植物和藻類光系統(tǒng)和捕光天線蛋白的研究工作。2019年初，該團(tuán)隊(duì)首次報道了羽紋綱硅藻——三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃分辨率的晶體結(jié)構(gòu)，描繪了葉綠素c和巖藻黃素在硅藻光合膜蛋白中的結(jié)合細(xì)節(jié)。此次成果是該合作團(tuán)隊(duì)在前期光合膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究工作的拓展。

《科學(xué)》同期刊發(fā)了德國光合作用研究專家Claudia Büchel教授撰寫的評述“How diatoms harvest light”，稱贊硅藻的兩個研究成果是“該領(lǐng)域突出的研究工作”“這兩項(xiàng)研究工作揭示了硅藻FCP捕光天線復(fù)合體的多樣性和柔性，對于研究光合生物L(fēng)HC超級家族成員在不同光環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)多樣的光能捕捉功能具有重要意義，是一項(xiàng)里程碑式的工作”。

DOI: 10.1126/science.aax4406