硅藻光合作用结构原子水平三维结构首获揭示

记者近日从中国科学院植物研究所获悉，清华大学隋森芳院士和该所沈院士、匡院士领导的研究团队，在世界上首次分析了*级硅藻——细角毛藻的光学系统ⅱ——集光天线超级复合体的3.0埃分辨率三维结构， 为光合作用的理论计算和光合作用研究的人工模拟提供了新的理论基础，也为指导后续新作物的设计和提高作物的光收获和光保护效率提供了新思路。 该研究结果于8月2日发表在国际著名学术期刊《科学》上。

据介绍，硅藻是主要的海洋浮游生物之一，每年贡献地球初级生产力的20%，并在生物地球化学循环中发挥重要作用。这些特性与其光学系统和外围集光天线的功能密切相关。与绿藻和高等植物不同，硅藻光系统二(PSII)的外围集光天线是一种结合岩藻黄素和叶绿素a/c的蛋白质，具有很强的蓝绿色光捕获能力和快速光适应能力。然而，硅藻PSII-FCPII超级复合体的能量传递、转换和光保护机制长期以来没有得到阐明。

研究人员用单粒子冷冻电镜分析发现，硅藻PSII-FCPII高色素蛋白复合物由两种单体组成，包括230个叶绿素a分子、58个叶绿素c分子、146个类胡萝卜素分子、锰簇复合物、电子转运体和大量脂质分子。硅藻PSII-FCPII的反应中心与蓝藻和红藻的反应中心相似，但它有两个额外的核心亚基和一个独特的外围释氧亚基，外围天线亚基的排列明显不同于已知的绿藻和高等植物。研究人员在硅藻PSII-FCPII复合体中发现了从多个集光天线到反应中心的能量转移路径，以及可能重要的非光化学猝灭位点和对释氧反应中心的保护。

沈和匡的团队一直致力于高等植物和藻类光学系统和光收集天线蛋白的研究。2019年初，该团队首次报道了角毛藻属硅藻——角毛藻的FCP二聚体的1.8埃分辨率晶体结构，描述了硅藻光合膜蛋白中叶绿素C和岩藻黄素的结合细节。这项成果是合作小组先前对光合膜蛋白结构和功能研究的延伸。

《科学》杂志同时发表了德国光合作用研究专家克劳迪娅·布切尔教授的评论《硅藻如何收获光》，称赞硅藻的两项研究成果是“该领域的杰出研究工作”，“这两项研究工作揭示了硅藻FCP集光天线复合体的多样性和灵活性，对研究LHC光合生物超家族成员在不同光环境条件下的各种光能捕获功能具有重要意义，是一项里程碑式的工作”。

DOI: 10.1126/science.aax4406