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(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)理及進(jìn)化機(jī)制，此前并不清楚，也備受關(guān)注。
來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的消息說(shuō)，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近在光合生物適應(yīng)進(jìn)化研究中取得一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：首次在原子層面揭示顆石藻通過(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，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(jī)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(guó)科學(xué)院植物研究所 供圖這項(xiàng)重要研究突破由中國(guó)科學(xué)院植物研究所王文達(dá)研究員、田利金研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成，他們首次純化并解析來(lái)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(jí)復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)，破解了光合生物適應(yīng)進(jìn)化的分子機(jī)制。北京時(shí)間9月12日凌晨，該研究成果論文以封面形式在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上線發(fā)表。
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)，研究團(tuán)隊(duì)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。
田利金介紹說(shuō)，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(jí)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(guò)95%，與陸地植物光系統(tǒng)I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。
此次研究發(fā)現(xiàn)，顆石藻的光系統(tǒng)I核心周?chē)h(huán)繞著38個(gè)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(gè)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(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(xì)胞壁是由碳酸鈣晶體組成的顆石片，其在白堊紀(jì)達(dá)到鼎盛，不僅是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)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)