記者日前從中科院植物所獲悉，由清華大學隋森芳院士率領的研究團隊與該所沈建仁研究員、匡廷云院士率領的團隊合作，在國際上首次解析了一種中心綱硅藻——Chaetoceros gracilis的光系統(tǒng)II-捕光天線超級復合體的3.0 埃分辨率的三維結構，為光合作用的理論計算和人工模擬光合作用研究提供了新理論依據，同時為后續(xù)指導設計新型作物、提高作物的捕光和光保護效率提供了新思路。該成果于8月2日發(fā)表在國際著名學術期刊《科學》上。

據介紹，硅藻是海洋主要的浮游生物之一，貢獻了地球上每年原初生產力的20%左右，且在生物地球化學循環(huán)中起著重要作用，這些特征與其光系統(tǒng)以及外周捕光天線的功能密切相關。不同于綠藻和高等植物，硅藻光系統(tǒng)II（PSII）的外周捕光天線是結合了巖藻黃素和葉綠素a/c的蛋白（FCPs），具有強大的藍綠光捕獲能力和快速光適應能力。然而硅藻PSII-FCPII超級復合體的能量傳遞、轉換和光保護機制長期未得到闡明。

研究人員利用單顆粒冷凍電鏡技術解析發(fā)現，硅藻的PSII-FCPII超級色素蛋白復合體由兩個單體組成，包含230個葉綠素a分子、58個葉綠素c分子、146個類胡蘿卜素分子、以及錳簇復合物、電子傳遞體和大量的脂分子等；硅藻PSII-FCPII的反應中心與藍藻和紅藻相似，但是具有額外的兩個核心亞基和一個特有的外周放氧亞基，且各外周天線亞基排列方式與已知的綠藻和高等植物明顯不同。研究人員在硅藻PSII-FCPII復合體中發(fā)現了多條捕光天線向反應中心的能量傳遞途徑，以及可能的重要非光化學淬滅位點和保護放氧反應中心。

沈建仁和匡廷云團隊一直致力于高等植物和藻類光系統(tǒng)和捕光天線蛋白的研究工作。2019年初，該團隊首次報道了羽紋綱硅藻——三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃分辨率的晶體結構，描繪了葉綠素c和巖藻黃素在硅藻光合膜蛋白中的結合細節(jié)。此次成果是該合作團隊在前期光合膜蛋白結構與功能研究工作的拓展。

《科學》同期刊發(fā)了德國光合作用研究專家Claudia Büchel教授撰寫的評述“How diatoms harvest light”，稱贊硅藻的兩個研究成果是“該領域突出的研究工作”“這兩項研究工作揭示了硅藻FCP捕光天線復合體的多樣性和柔性，對于研究光合生物LHC超級家族成員在不同光環(huán)境條件下實現多樣的光能捕捉功能具有重要意義，是一項里程碑式的工作”。

DOI: 10.1126/science.aax4406