顆石藻（Coccolithophores）是海洋中的主要浮游植物之一，其細胞壁是由碳酸鈣晶體組成的顆石片。顆石藻在白堊紀(jì)達到鼎盛，不僅是海洋初級生產(chǎn)力的主要貢獻者，也依靠其碳酸鈣外殼在地層中留下顯著的“白堊”痕跡，因此在海洋碳沉積和全球碳循環(huán)中扮演重要角色。顆石藻能夠適應(yīng)海水不同深度的多變光環(huán)境，高效的光合自養(yǎng)生長可助其快速繁殖。但顆石藻光系統(tǒng)復(fù)合物如何能高效捕獲和利用光能的微觀機理并不清楚，進化機制也未見報道。

顆石藻光系統(tǒng)I-捕光天線超大復(fù)合物結(jié)構(gòu)及其能量轉(zhuǎn)化效率

國家植物園（南園）王文達研究員和田利金研究員帶領(lǐng)團隊首次純化并解析了來自赫氏艾米里顆石藻（Emiliania huxleyi）的光系統(tǒng)I-巖藻黃素葉綠素a/c結(jié)合蛋白（PSI-FCPI）超級復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)，這一研究首次在原子層面揭示了顆石藻通過擴展和優(yōu)化其光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)海洋光環(huán)境的獨特策略，是光合生物適應(yīng)進化研究中的一個重大發(fā)現(xiàn)。

顆石藻PSI-FCPI超級復(fù)合物是一個由51個蛋白亞基和819個色素分子組成的，分子量高達1.66兆道爾頓的巨大光合膜蛋白機器。其分子量遠超已報道的真核生物PSI捕光天線復(fù)合物，捕光截面是典型陸地植物（豌豆）PSI超級復(fù)合物的4~5倍。飛秒瞬態(tài)吸收光譜結(jié)果表明，顆石藻PSI-FCPI捕獲光能的量子轉(zhuǎn)化效率超過95%，與陸地植物PSI超級復(fù)合物效率相當(dāng)，說明顆石藻PSI-FCPI具備特殊的蛋白組裝和能量傳遞特征。

分析發(fā)現(xiàn)，顆石藻的PSI核心周圍環(huán)繞著38個FCPI捕光天線，包括Lhcr、Lhcf、Lhcq、RedCAP，以及新發(fā)現(xiàn)的Lhcq-like亞基，并以模塊化的方式排列成8個放射狀排布的捕光天線條帶。這種“旋渦圍繞”PSI核心的巨型捕光天線依靠大量Lhcq和Lhcq-like天線的精密裝配，極大地擴展了捕光面積。此外，研究團隊鑒定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類型的類胡蘿卜素，這些色素在Lhcq和Lhcq-like類型捕光天線中含量極高，使其能有效地吸收深水區(qū)的藍綠光（460~490 nm）和綠光（490~540 nm）。此外，大量葉綠素c與葉綠素a形成了緊密的能量耦聯(lián)并消除了能量陷阱，構(gòu)成了平坦暢通的能量傳遞網(wǎng)絡(luò)，這可能是其保持超高量子轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵。

該研究為理解光合生物高效的能量轉(zhuǎn)化機理提供了新的結(jié)構(gòu)模型，對設(shè)計新型光合作用蛋白、指導(dǎo)人工模擬和開發(fā)高碳匯生物資源具有重要意義。

該研究成果于9月12日以封面論文形式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Science上。國家植物園（南園）博士研究生申麗麗、任菲、鄭夢圓，博士后李振華，煙臺海岸帶研究所王寅初博士為本文共同第一作者，國家植物園（南園）王文達研究員、田利金研究員為共同通訊作者?？锿⒃圃菏俊抑参飯@（南園）韓廣業(yè)研究員、海岸帶所秦松研究員、石河子大學(xué)范建華教授等參與了該研究。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院項目和黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)科技專項、山東省聯(lián)合基金等項目的資助。