中新網(wǎng)北京9月12日電 (記者 孫自法)作為海洋中主要浮游植物之一，顆石藻能適應(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理及進化機制，此前并不清楚，也備受關(guān)注。
來自中國科學(xué)院的消息說，中國科學(xué)家團隊最近在光合生物適應(yīng)進化研究中取得一項重大發(fā)現(xiàn)：首次在原子層面揭示顆石藻通過擴展和優(yōu)化其光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)海洋光環(huán)境的獨特策略，成功破解了顆石藻光系統(tǒng)復(fù)合物高效利用光能的分子機制。
顆石藻光系統(tǒng)I-捕光天線超大復(fù)合物結(jié)構(gòu)及其能量轉(zhuǎn)化效率示意圖。中國科學(xué)院植物研究所 供圖這項重要研究突破由中國科學(xué)院植物研究所王文達研究員、田利金研究員帶領(lǐng)團隊完成，他們首次純化并解析來自赫氏艾米里顆石藻的光系統(tǒng)I-巖藻黃素葉綠素a/c結(jié)合蛋白(PSI-FCPI)超級復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)，破解了光合生物適應(yīng)進化的分子機制。北京時間9月12日凌晨，該研究成果論文以封面形式在國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上線發(fā)表。
王文達表示，顆石藻光系統(tǒng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析和機理研究，為理解光合生物高效的能量轉(zhuǎn)化機制提供了新的結(jié)構(gòu)模型。未來，研究團隊也希望以此為基礎(chǔ)設(shè)計新型光合作用蛋白，并進一步指導(dǎo)人工模擬和開發(fā)高碳匯生物資源，這在合成生物學(xué)和氣候變化應(yīng)對領(lǐng)域，都具有巨大潛力。
田利金介紹說，顆石藻PSI-FCPI超級復(fù)合物是一個巨大光合膜蛋白機器，由51個蛋白亞基和819個色素分子組成，分子量高達1.66兆道爾頓，遠超已知的真核生物光系統(tǒng)I捕光天線復(fù)合物。它的捕光截面是典型陸地植物(豌豆)光系統(tǒng)I超級復(fù)合物的4至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95%，與陸地植物光系統(tǒng)I超級復(fù)合物效率相當，說明顆石藻PSI-FCPI具備特殊的蛋白組裝和能量傳遞特征。
此次研究發(fā)現(xiàn)，顆石藻的光系統(tǒng)I核心周圍環(huán)繞著38個巖藻黃素葉綠素a/c結(jié)合蛋白捕光天線，并以模塊化的方式排列成8個放射狀排布的捕光天線條帶。這種“旋渦圍繞”光系統(tǒng)I核心的巨型捕光天線依靠大量新型捕光天線的精密裝配，極大擴展了捕光面積。
研究團隊還鑒定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類型的類胡蘿卜素，這些色素在新發(fā)現(xiàn)的捕光天線中含量極高，使其能有效吸收深水區(qū)波長在460-540納米間的藍綠光和綠光。此外，大量葉綠素c與葉綠素a形成緊密的能量耦聯(lián)并消除能量陷阱，構(gòu)成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。
據(jù)了解，顆石藻細胞壁是由碳酸鈣晶體組成的顆石片，其在白堊紀達到鼎盛，不僅是海洋初級生產(chǎn)力的主要貢獻者，還依靠其碳酸鈣外殼在地層中留下顯著的“白堊”痕跡，因此在海洋碳沉積和全球碳循環(huán)中扮演重要角色。(完)