在浩瀚海洋中，單細(xì)胞顆石藻在全球碳循環(huán)和氣候變化中具有重要生態(tài)功能，其顯著特征為細(xì)胞表面覆蓋碳酸鈣構(gòu)成的顆石粒。它們不僅通過(guò)光合作用影響全球碳循環(huán)，其細(xì)胞表面顆石殼更是構(gòu)成了壯觀的海洋“白色浮游帶”，在海洋碳沉積中具有重要作用。顆石藻在全球海洋中廣泛分布，高效的光合適應(yīng)機(jī)制是關(guān)鍵。

近日，山東大學(xué)微生物改造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張玉忠教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances雜志在線發(fā)表了題為

Architecture and energy transfer of coccolithophore photosystem I with a huge light-harvesting antenna system

圖1 顆石藻PSI–LHCI超復(fù)合體的整體結(jié)構(gòu)

顆石藻PSI-LHCI復(fù)合體結(jié)構(gòu)尺寸巨大（310×255×100 ?3），分子量高達(dá)1.54 MDa。最令人驚嘆的是其外周天線系統(tǒng)：35個(gè)捕光天線高度有序排列，形成獨(dú)特的重復(fù)性纖維狀結(jié)構(gòu)。外層捕光天線結(jié)構(gòu)相似，具有延長(zhǎng)的loop結(jié)構(gòu)域，并且部分天線具有相同的序列和結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為捕光天線的有序排列和超大規(guī)模天線系統(tǒng)的構(gòu)建提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，極大地?cái)U(kuò)展了光捕獲的面積。

顆石藻捕光天線系統(tǒng)色素含量異常豐富，包括387個(gè)葉綠素a、112個(gè)葉綠素c和224個(gè)類胡蘿卜素。其中，葉綠素c和巖藻黃素等類胡蘿卜素的比例顯著高于其他藻類，而這些色素正是高效吸收海洋中穿透力強(qiáng)的藍(lán)綠光（450-550納米）的關(guān)鍵。這種“色素套餐”使其能夠有效的捕獲深海藍(lán)綠光，適應(yīng)海洋真光層下部的弱光環(huán)境，是其廣泛分布并常形成大規(guī)模水華的重要基礎(chǔ)。

圖2 顆石藻PSI–LHCI超復(fù)合體的能量傳遞

擁有如此龐大的天線，能量能否有效傳遞是核心問(wèn)題。研究結(jié)合飛秒超快光譜與量子計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，能量從最外圍天線傳遞到PSI核心僅需約62皮秒，效率與體型更小的同類復(fù)合體相當(dāng)。模擬顯示，能量主要沿著天線蛋白“纖維”路徑，通過(guò)精心排列的葉綠素分子高效匯聚至核心。這種設(shè)計(jì)保證了龐大系統(tǒng)內(nèi)能量傳輸?shù)母咝浴?/p>

顆石藻PSI核心保留了質(zhì)體編碼的PsaK亞基，這一特征與隱藻相似，支持質(zhì)體編碼的顆石藻PSI核心起源于隱藻的PSI核心。然而，顆石藻天線蛋白的分化類型和結(jié)構(gòu)特征卻與硅藻天線蛋白更相似，支持核基因編碼的顆石藻捕光天線起源于不等鞭藻。這表明顆石藻光合復(fù)合體的核心與天線可能源自不同進(jìn)化路線：核心繼承自隱藻，而捕光天線來(lái)自不等鞭藻。這種“嵌合”式進(jìn)化，展現(xiàn)了生命在演化過(guò)程中環(huán)境適應(yīng)策略的多樣性。

圖3 紅藻進(jìn)化支系PSI–LHCI超復(fù)合體的進(jìn)化

該成果揭示了顆石藻超大PSI–LHCI復(fù)合體的精密構(gòu)造與高效工作機(jī)理，闡明了其適應(yīng)深海弱光環(huán)境的獨(dú)特策略，推進(jìn)了光合作用基礎(chǔ)研究，為未來(lái)設(shè)計(jì)新型高效人工光合系統(tǒng)或改良作物光能利用提供了珍貴的結(jié)構(gòu)藍(lán)圖和進(jìn)化啟示。

張玉忠教授、山東大學(xué)趙龍生教授、英國(guó)利物浦大學(xué)劉魯寧教授、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高軍教授和中國(guó)科學(xué)院物理研究所翁羽翔教授為該論文的共同通訊作者。山東大學(xué)博士生孫曉夢(mèng)和中國(guó)海洋大學(xué)李康副教授為并列第一作者。

https://doi.org/10.1126/sciadv.aea4965

制版人： 十一

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