硅藻光合作用结构原子水平三维结构首获揭示

         记者日前从中科院植物所获悉，由清华大学隋森芳院士率领的研究团队与该所沈建仁研究员、匡廷云院士率领的团队合作，在国际上首次解析了一种中心纲硅藻——Chaetoceros gracilis的光系统II-捕光天线超级复合体的3.0 埃分辨率的三维结构，为光合作用的理论计算和人工模拟光合作用研究提供了新理论依据，同时为后续指导设计新型作物、提高作物的捕光和光保护效率提供了新思路。该成果于8月2日发表在国际著名学术期刊《科学》上。 据介绍，硅藻是海洋主要的浮游生物之一，贡献了地球上每年原初生产力的20%左右，且在生物地球化学循环中起着重要作用，这些特征与其光系统以及外周捕光天线的功能密切相关。不同于绿藻和高等植物，硅藻光系统II（PSII）的外周捕光天线是结合了岩藻黄素和叶绿素a/c的蛋白（FCPs），具有强大的蓝绿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未得到阐明。 研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术解析发现，硅藻的PSII-FCPII超级色素蛋白复合体由两个单体组成，包含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、以及锰簇复合物、电子传递体和大量的脂分子等；硅藻PSII-FCPII的反应中心与蓝藻和红藻相似，但是具有额外的两个核心亚基和一个特有的外周放氧亚基，且各外周天线亚基排列方式与已知的绿藻和高等植物明显不同。研究人员在硅藻PSII-FCPII复合体中发现了多条捕光天线向反应中心的能量传递途径，以及可能的重要非光化学淬灭位点和保护放氧反应中心。 沈建仁和匡廷云团队一直致力于高等植物和藻类光系统和捕光天线蛋白的研究工作。2019年初，该团队首次报道了羽纹纲硅藻——三角褐指藻FCP二聚体的1.8埃分辨率的晶体结构，描绘了叶绿素c和岩藻黄素在硅藻光合膜蛋白中的结合细节。此次成果是该合作团队在前期光合膜蛋白结构与功能研究工作的拓展。 《科学》同期刊发了德国光合作用研究专家Claudia Büchel教授撰写的评述“How diatoms harvest light”，称赞硅藻的两个研究成果是“该领域突出的研究工作”“这两项研究工作揭示了硅藻FCP捕光天线复合体的多样性和柔性，对于研究光合生物LHC超级家族成员在不同光环境条件下实现多样的光能捕捉功能具有重要意义，是一项里程碑式的工作”。 DOI: 10.1126/science.aax4406

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2019/08/05