顆石藻是海洋中的主要浮游植物之一，其光復(fù)合系統(tǒng)能夠高效捕獲和利用光能。中國科學(xué)院植物研究所研究員王文達(dá)和田利金帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，首次在原子層面揭示了顆石藻通過擴(kuò)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(dú)特策略，是光合生物適應(yīng)進(jìn)化研究中的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。相關(guān)研究成果日前以封面論文形式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
王文達(dá)介紹，顆石藻在海洋碳沉積和全球碳循環(huán)中扮演重要角色，其細(xì)胞壁是由碳酸鈣晶體組成的顆石片，能夠適應(yīng)海水不同深度的多變光環(huán)境，以高效的光合自養(yǎng)生長快速繁殖。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(jī)理并不清楚，進(jìn)化機(jī)制也未見報(bào)道。
王文達(dá)說：“研究團(tuán)隊(duì)首次純化并解析了來自赫氏艾米里顆石藻的光系統(tǒng)I-巖藻黃素葉綠素a/c結(jié)合蛋白（PSI-FCPI）超級(jí)復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)?！边@個(gè)超級(jí)復(fù)合物是一個(gè)巨大的光合膜蛋白機(jī)器，由51個(gè)蛋白亞基和819個(gè)色素分子組成，分子量高達(dá)1.66兆道爾頓。
那么，究竟是什么讓顆石藻成為利用光能量的佼佼者？據(jù)介紹，顆石藻PSI核心周圍環(huán)繞著38個(gè)FCPI捕光天線，并以模塊化的方式排列成8個(gè)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，依靠大量新型捕光天線的精密裝配，極大地?cái)U(kuò)展了捕光面積。研究團(tuán)隊(duì)還鑒定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類型的類胡蘿卜素，這些色素在新發(fā)現(xiàn)的捕光天線中含量極高，使其能有效地吸收深水區(qū)波長在460~540納米間的藍(lán)綠光和綠光。此外，大量葉綠素c與葉綠素a形成緊密的能量耦聯(lián)并消除能量陷阱，構(gòu)成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。
這一研究成果為理解光合生物高效的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了新的結(jié)構(gòu)模型。王文達(dá)表示，未來，希望以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新型光合作用蛋白，并進(jìn)一步指導(dǎo)人工模擬和開發(fā)高碳匯生物資源，“這在合成生物學(xué)和氣候變化應(yīng)對(duì)領(lǐng)域都具有巨大潛力”。
