中新網北京9月12日電 (記者 孫自法)作為海洋中主要浮游植物之一，顆石藻能適應海水不同深度的多變光環境，高效的光合自養生長可助其快速繁殖，但顆石藻光系統復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，也備受關注。
來自中國科學院的消息說，中國科學家團隊最近在光合生物適應進化研究中取得一項重大發現：首次在原子層面揭示顆石藻通過擴展和優化其光系統結構來適應海洋光環境的獨特策略，成功破解了顆石藻光系統復合物高效利用光能的分子機制。
顆石藻光系統I-捕光天線超大復合物結構及其能量轉化效率示意圖。中國科學院植物研究所 供圖這項重要研究突破由中國科學院植物研究所王文達研究員、田利金研究員帶領團隊完成，他們首次純化并解析來自赫氏艾米里顆石藻的光系統I-巖藻黃素葉綠素a/c結合蛋白(PSI-FCPI)超級復合物三維結構，破解了光合生物適應進化的分子機制。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術期刊《科學》上線發表。
王文達表示，顆石藻光系統復合物的結構解析和機理研究，為理解光合生物高效的能量轉化機制提供了新的結構模型。未來，研究團隊也希望以此為基礎設計新型光合作用蛋白，并進一步指導人工模擬和開發高碳匯生物資源，這在合成生物學和氣候變化應對領域，都具有巨大潛力。
田利金介紹說，顆石藻PSI-FCPI超級復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I捕光天線復合物。它的捕光截面是典型陸地植物(豌豆)光系統I超級復合物的4至5倍。飛秒瞬態吸收光譜結果表明，顆石藻PSI-FCPI捕獲光能的量子轉化效率超過95%，與陸地植物光系統I超級復合物效率相當，說明顆石藻PSI-FCPI具備特殊的蛋白組裝和能量傳遞特征。
此次研究發現，顆石藻的光系統I核心周圍環繞著38個巖藻黃素葉綠素a/c結合蛋白捕光天線，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，這些色素在新發現的捕光天線中含量極高，使其能有效吸收深水區波長在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并消除能量陷阱，構成平坦暢通的能量傳遞網絡，這可能是其保持超高量子轉化效率的關鍵。
據了解，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中扮演重要角色。(完)