我國(guó)科學(xué)家破解顆石藻高效捕光之謎

人民網(wǎng)北京9月14日電 （記者趙竹青）記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉，中國(guó)科學(xué)院植物研究所王文達(dá)研究員和田利金研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次純化并解析了來(lái)自赫氏艾米里顆石藻（Emiliania huxleyi）的光系統(tǒng)I-巖藻黃素葉綠素a/c結(jié)合蛋白（PSI-FCPI）超級(jí)復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)，首次在原子層面揭示了顆石藻通過(guò)擴(kuò)展和優(yōu)化其光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)海洋光環(huán)境的獨(dú)特策略。9月12日，該成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以封面論文形式發(fā)表。

顆石藻（Coccolithophores）是海洋中的主要浮游植物之一，它能夠適應(yīng)海水不同深度的多變光環(huán)境，高效的光合自養(yǎng)生長(zhǎng)可助其快速繁殖，但顆石藻光系統(tǒng)復(fù)合物如何能高效捕獲和利用光能的微觀機(jī)理并不清楚。

此次解析的顆石藻PSI-FCPI超級(jí)復(fù)合物是一個(gè)巨大光合膜蛋白機(jī)器，由51個(gè)蛋白亞基和819個(gè)色素分子組成，分子量高達(dá)1.66兆道爾頓，遠(yuǎn)超已報(bào)道的真核生物PSI捕光天線復(fù)合物。它的捕光截面是典型陸地植物（豌豆）PSI超級(jí)復(fù)合物的4~5倍。飛秒瞬態(tài)吸收光譜結(jié)果表明，顆石藻PSI-FCPI捕獲光能的量子轉(zhuǎn)化效率超過(guò)95%，與陸地植物PSI超級(jí)復(fù)合物效率相當(dāng)，說(shuō)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(xiàn)，顆石藻的PSI核心周?chē)h(huán)繞著38個(gè)FCPI捕光天線，并以模塊化的方式排列成8個(gè)放射狀排布的捕光天線條帶。這種“旋渦圍繞”P(pán)SI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?cái)U(kuò)展了捕光面積。研究團(tuán)隊(duì)還鑒定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類(lèi)型的類(lèi)胡蘿卜素，這些色素在新發(fā)現(xiàn)的捕光天線中含量極高，使其能有效地吸收深水區(qū)波長(zhǎng)在460~540納米間的藍(lán)綠光和綠光。此外，大量葉綠素c與葉綠素a形成了緊密的能量耦聯(lián)并消除了能量陷阱，構(gòu)成了平坦暢通的能量傳遞網(wǎng)絡(luò)，這可能是其保持超高量子轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。

王文達(dá)表示：“顆石藻光系統(tǒng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析和機(jī)理研究，為理解光合生物高效的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了新的結(jié)構(gòu)模型。未來(lái)，我們也希望以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新型光合作用蛋白，并進(jìn)一步指導(dǎo)人工模擬和開(kāi)發(fā)高碳匯生物資源，這在合成生物學(xué)和氣候變化應(yīng)對(duì)領(lǐng)域，都具有巨大潛力。”