植物所會(huì)員王文達(dá)：闡明硅藻的24個(gè)巖藻黃素-葉綠素a/c捕光天線精巧設(shè)計(jì)形成的巨大色素網(wǎng)絡(luò)和錯(cuò)綜的傳能路徑、以及高效捕光傳能機(jī)理 硅藻是海洋中的主要浮游藻類之一，是全球原初生產(chǎn)力的主要提供者，在地球碳氧等元素循環(huán)中起重要作用。硅藻還在油氣礦藏、漁業(yè)餌料、生物產(chǎn)油、化妝品等行業(yè)有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。硅藻含有巖藻黃素、葉綠素c、硅甲藻黃素等與綠色光合生物不同的光合色素，因此具有特殊的光能捕獲、能量傳遞和光保護(hù)機(jī)制。 2019年，中國科學(xué)院植物研究所研究員王文達(dá)及所在團(tuán)隊(duì)率先破解了一種羽紋綱硅藻-三角褐指藻的FCP (Fucoxanthin Chlorophyll a/c protein)捕光天線二聚體的1.8 Å分辨率晶體結(jié)構(gòu) (Science 2019, 363, eaav0365)，描述了FCP中葉綠素a，葉綠素c和巖藻黃素的精確結(jié)構(gòu)信息。并與清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)一步解析了中心綱硅藻-纖細(xì)角毛藻的光系統(tǒng)II-捕光天線II復(fù)合物 (Photosystem II-FCPII, PSII-FCPII) 3.0 Å的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡明了其光能高效傳遞和淬滅的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) (Science 2019, 365, eaax0446)。然而硅藻光系統(tǒng)I結(jié)合的捕光天線數(shù)量，以及核心與捕光天線的結(jié)合方式還不清楚，硅藻光系統(tǒng)I的光能捕獲和傳遞機(jī)制還未得到解析。 近期，該團(tuán)隊(duì)再次與清華大學(xué)隋森芳院士合作，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了硅藻PSI-FCPI超級(jí)復(fù)合物2.38 Å分辨率的三維結(jié)構(gòu)，PSI核心分辨率高達(dá)2.2 Å，揭示了包括大量水分子在內(nèi)的大量結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，硅藻PSI-FCPI的反應(yīng)中心有12個(gè)亞基，周圍結(jié)合24個(gè)FCPIs。在核心亞基中，PsaA、PsaB等亞基和其他真核光合生物有較高的保守性，但丟失了PsaG、PsaH、PsaK、PsaO和PsaN亞基，新發(fā)現(xiàn)了PsaR和PsaS亞基，它們可能分別參與穩(wěn)固外圍FCPI天線和從FCPI亞基向PSI核心的能量傳遞。PSI-FCPI的24個(gè)FCPIs在反應(yīng)中心周圍圍繞成三層，內(nèi)層11個(gè)FCPI亞基形成一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)，第二層的10個(gè)亞基形成半圈結(jié)構(gòu)，最外層是3個(gè)亞基離核心距離達(dá)16 nm。這也是目前發(fā)現(xiàn)集合捕光天線最多的單體光系統(tǒng)。 PSI-FCPI結(jié)構(gòu)中結(jié)合了326個(gè)葉綠素a、34個(gè)葉綠素c、102個(gè)巖藻黃素、35個(gè)硅甲藻黃素、18個(gè)β-胡蘿卜素和大量電子傳遞體、脂質(zhì)以及水分子，這與藍(lán)藻、紅藻、綠藻以及高等植物的光系統(tǒng)I復(fù)合物的色素組成有顯著的差異，大大地增加了硅藻PSI-FCPI的捕光截面，可幫助硅藻吸收更多的藍(lán)綠光用于光反應(yīng)。精巧設(shè)計(jì)的巨大色素網(wǎng)絡(luò)、錯(cuò)綜排布的能量傳遞路徑可以高效地將捕獲的太陽能層層傳遞至硅藻光系統(tǒng)I的反應(yīng)中心。 該研究成果在線發(fā)表于2020年10月8日的Nature Communications期刊，得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目和青促會(huì)等項(xiàng)目資助，得到中科院光生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儀器平臺(tái)和清華大學(xué)冷凍電鏡中心技術(shù)支持。 論文信息：Caizhe Xu#, Xiong Pi#, Yawen Huang#, Guangye Han, Xiaobo Chen, Xiaochun Qin, Guoqiang Huang, Songhao Zhao, Yanyan Yang, Tingyun Kuang, Wenda Wang*, Sen-Fang Sui*, Jian-Ren Shen*, 2020, Structural basis for energy transfer in a huge diatom PSI-FCPI supercomplex, Nature Communications, 11:5081. 文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18867-x 
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