张玉忠教授团队揭示颗石藻超大光系统I–捕光天线复合体的结构、功能与进化
近日，中国海洋大学海洋生命学院、海洋生物多样性与进化教育部重点实验室、深海圈层与地球系统前沿科学中心张玉忠教授团队与国内外团队合作，在Science Advances杂志在线发表了题为“Architecture and energy transfer of coccolithophore photosystem I with a huge light-harvesting antenna system”（拥有巨大光捕获天线系统的颗石藻光系统I的结构与能量传递）的研究论文。张玉忠教授、刘鲁宁教授、山东大学赵龙生教授、华中农业大学高军教授和中国科学院物理研究所翁羽翔教授为该论文的共同通讯作者。山东大学博士生孙晓梦和中国海洋大学李康副教授为并列第一作者。该研究解析了颗石藻Emiliania huxleyi光系统I-捕光复合物I（PSI–LHCI）超大复合体的精细三维结构，揭开了其庞大光合天线系统的组装、能量传递和进化奥秘。
图1 颗石藻PSI–LHCI超复合体的整体结构
在浩瀚海洋中，单细胞颗石藻在全球碳循环和气候变化中具有重要生态功能，其显著特征为细胞表面覆盖碳酸钙构成的颗石粒。它们不仅通过光合作用影响全球碳循环，其细胞表面颗石壳更是构成了壮观的海洋“白色浮游带”，在海洋碳沉积中具有重要作用。颗石藻在全球海洋中广泛分布，高效的光合适应机制是关键。
颗石藻PSI-LHCI复合体结构尺寸巨大（310×255×100 ų），分子量高达1.54MDa。最令人惊叹的是其外周天线系统：35个捕光天线高度有序排列，形成独特的重复性纤维状结构。外层捕光天线结构相似，具有延长的loop结构域，并且部分天线具有相同的序列和结构。这些结构特点为捕光天线的有序排列和超大规模天线系统的构建提供了结构基础，极大地扩展了光捕获的面积。
颗石藻捕光天线系统色素含量异常丰富，包括387个叶绿素a、112个叶绿素c和224个类胡萝卜素。其中，叶绿素c和岩藻黄素等类胡萝卜素的比例显著高于其他藻类，而这些色素正是高效吸收海洋中穿透力强的蓝绿光（450-550纳米）的关键。这种“色素套餐”使其能够有效的捕获深海蓝绿光，适应海洋真光层下部的弱光环境，是其广泛分布并常形成大规模水华的重要基础。
图2 颗石藻PSI–LHCI超复合体的能量传递
拥有如此庞大的天线，能量能否有效传递是核心问题。研究结合飞秒超快光谱与量子计算模拟发现，能量从最外围天线传递到PSI核心仅需约62皮秒，效率与体型更小的同类复合体相当。模拟显示，能量主要沿着天线蛋白“纤维”路径，通过精心排列的叶绿素分子高效汇聚至核心。这种设计保证了庞大系统内能量传输的高效性。
颗石藻PSI核心保留了质体编码的PsaK亚基，这一特征与隐藻相似，支持质体编码的颗石藻PSI核心起源于隐藻的PSI核心。然而，颗石藻天线蛋白的分化类型和结构特征却与硅藻天线蛋白更相似，支持核基因编码的颗石藻捕光天线起源于不等鞭藻。这表明颗石藻光合复合体的核心与天线可能源自不同进化路线：核心继承自隐藻，而捕光天线来自不等鞭藻。这种“嵌合”式进化，展现了生命在演化过程中环境适应策略的多样性。
图3 红藻进化支系PSI–LHCI超复合体的进化
该成果揭示了颗石藻超大PSI–LHCI复合体的精密构造与高效工作机理，阐明了其适应深海弱光环境的独特策略，推进了光合作用基础研究，为未来设计新型高效人工光合系统或改良作物光能利用提供了珍贵的结构蓝图和进化启示。
张玉忠教授研究团队长期从事海洋藻类比较光合作用与进化的研究，成果发表在Nature Plants（2020, 6: 869）、PNAS（2024, 121:e2413678121）、Nature Communications（2024,15:2392; 2024, 15:4999）、The Plant Cell (2023, 35: 2449）、Plant Physiology（2022, 190: 1883）上。本次在Science Advances上发表的研究成果是该团队藻类光合作用与进化研究中的又一个新进展。
该论文由中国海洋大学、山东大学、英国利物浦大学、华中农业大学和中国科学院物理研究所相关学者合作完成，该研究得到了国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划等项目的资助。
