PNAS刊发张玉忠教授团队定鞭藻光系统I超复合物结构、功能及进化研究新进展
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、英国利物浦大学和中国海洋大学绿卡教授刘鲁宁教授、山东大学赵龙生研究员及华中农业大学高军教授等合作，在Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States Of America (PNAS) 杂志在线发表了题为“Structural insights into the assembly and energy transfer of haptophyte photosystem I-light-harvesting supercomplex”的研究论文。张玉忠教授、刘鲁宁教授、高军教授和赵龙生研究员为该论文的共同通讯作者，中国海洋大学为通讯作者单位。
光合作用是将光能高效转化为有机物中稳定化学能的主要过程。它为几乎所有生命形式提供必需的食物和养分，并在维持大气中的碳氧平衡方面发挥至关重要的作用。光系统I（photosystem I, PSI）是光化学反应中关键的组成部分，其光电转化效率接近100%。
迄今为止，多种红色谱系的PSI–LHCI的结构已被解析，其中包括红藻PSI–LHCR、隐藻PSI–ACPI、硅藻PSI–FCPI和甲藻PSI–AcpPCI。这些结构表明，PSI核心结构相对保守，并以单体形式存在，偶尔会有特定亚基的招募和丢失。相比之下，外围捕光复合物（LHCIs）的数量和排列存在显著差异。PSI–LHCI结构的差异揭示了它们在红色谱系质体进化和生理适应中的特定位置。尽管已有这些研究成果，但定鞭藻PSI–LHCI的精确结构尚不清楚。
定鞭藻门的藻类是一类重要的单细胞海洋浮游植物，作为主要生产者在海洋生态系统和全球生化平衡中发挥着至关重要的作用。此外，定鞭藻被认为是最古老的真核光自养生物类群之一，对于理解光合浮游植物的进化具有重要意义。定鞭藻、隐藻、异鞭藻（包括硅藻）和甲藻被认为经红藻的单次次级内共生产生。深入解析这些红色谱系藻类的光合作用和调控机制，将有助于我们更好地理解它们的进化关系及多样性。
本研究通过冷冻电镜单颗粒分析技术详细解析了定鞭藻Isochrysis galbana的光系统I–捕光复合物I（PSI–LHCI）超复合体的结构（图1）。定鞭藻PSI核心包含12个亚基，相较于红藻和隐藻丢失了PsaO，同时含有硅藻和甲藻中缺失的PsaK亚基。22个含有墨角藻黄素（fucoxanthin）和叶绿素a/c（chlorophyll a/c， Ch a/c）的捕光天线亚基（iFCPI，"i"表示I. galbana）围绕PSI核心呈三层排列，这种分层排列以及iFCPIs之间的特定相互作用共同维持了定鞭藻PSI–iFCPI的整体结构和功能。此外，还在PSI–iFCPI中发现了一个色素结合亚基LiFP，这在之前已解析的PSI–LHCI超复合物中都未发现。该亚基可以促进外围iFCPIs与PSI核心之间的相互作用和能量传递。
图1 定鞭藻PSI–iFCPI超复合物的整体结构
通过模拟计算得出的激发能传递速率表明，PSI–iFCPI内复杂的色素网络能够确保激发能的高效传递（图2）。定鞭藻iFCPIs相比隐藻ACPIs和硅藻FCPIs含有更多的Chl c分子。其中一些额外的Chl c分子有助于iFCPIs之间的能量传递。
图2 定鞭藻PSI–iFCPI超复合物的能量传递路径
定鞭藻类的PSI核心和iFCPIs可能具有不同的起源。质体编码的PSI核心亚基来自隐藻类，而核编码的iFCPIs则来源于硅藻的FCPIs（图3）。
图3 红色谱系PSI–LHCI超复合物可能的进化发展
该研究不仅为揭示了定鞭藻PSI–iFCPI的光捕获和能量传递机制提供了坚实的结构基础，还为深入理解红色谱系藻类PSI–LHCI超复合物结构的进化多样性提供了基础。
张玉忠教授研究团队长期从事藻类光合作用的研究，近期藻类光合作用研究成果发表在Nature Plants（Nat Plants, 2020, 6: 869）、Nature Communications（Nat Commun, 2024,15:2392; Nat Commun, 2024, 15:4999）、The Plant Cell (Plant Cell, 2023, 35: 2449）、Plant Physiology（Plant Physiol, 2022, 190: 1883）上。本次在PNAS上发表的研究成果是该团队藻类光合作用研究中的又一个新进展。
该论文由中国海洋大学、山东大学、英国利物浦大学和华中农业大学等单位相关学者合作完成，该研究得到了国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划等项目的资助。
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2413678121
