科学家破解颗石藻高效利用光能分子机制|进化_新浪科技

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本报讯（记者田瑞颖）中国科学院植物研究所研究员王文达和田利金团队首次纯化并解析了来自赫氏艾米里颗石藻的光系统I-岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白（PSI-FCPI）超级复合物三维结构。该研究首次在原子层面揭示了颗石藻通过扩展和优化光系统结构适应海洋光环境的独特策略，是光合生物适应进化研究的重要发现。相关研究成果近日以封面文章形式发表于《科学》。

颗石藻是海洋中的主要浮游植物之一，其细胞壁是由碳酸钙晶体组成的颗石片。颗石藻在白垩纪达到鼎盛，不仅是海洋初级生产力的主要贡献者，还依靠碳酸钙外壳在地层中留下了显著的“白垩”痕迹，因此在海洋碳沉积和全球碳循环中扮演了重要角色。颗石藻能够适应海水不同深度的多变光环境，高效的光合自养生长助其快速繁殖。但颗石藻光系统复合物高效捕获和利用光能的微观机理并不清楚，进化机制此前未见报道。

研究团队分析发现，颗石藻PSI-FCPI超级复合物是一个巨大光合膜蛋白机器，由51个蛋白亚基和819个色素分子组成，分子量高达1.66兆道尔顿，远超已报道的真核生物PSI捕光天线复合物。它的捕光截面是典型陆地植物（豌豆）PSI超级复合物的4~5倍。飞秒瞬态吸收光谱表明，颗石藻PSI-FCPI捕获光能的量子转化效率超过95%，与陆地植物PSI超级复合物效率相当，说明颗石藻PSI-FCPI具备特殊的蛋白组装和能量传递特征。

颗石藻PSI-FCPI的高效光能捕获和转化依赖于颗石藻PSI核心周围环绕着的38个FCPI捕光天线，它们以模块化方式排列成8个放射状排布的捕光天线条带。这种“旋涡围绕”PSI核心的巨型捕光天线依靠大量新型捕光天线的精密装配，极大扩展了捕光面积。

研究人员还鉴定出丰富的叶绿素c和岩藻黄素类型的类胡萝卜素，这些色素在新发现的捕光天线中含量极高，使其能有效吸收深水区波长460~540纳米的蓝绿光和绿光。此外，大量叶绿素c与叶绿素a形成了紧密的能量耦联并消除了能量陷阱，构成了畅通的能量传递网络，这可能是其保持超高量子转化效率的关键。