研究解析硅藻PSIFCPI超級復合物2.38埃分辨率的三維結構

　　硅藻是海洋中的主要浮游藻類之一，在地球碳氧等元素循環中起重要作用。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，具有特殊的光能捕獲、能量傳遞和光保護機制。

　　中國科學院植物研究所光合膜蛋白結構生物學團隊致力于光合膜蛋白三維結構和功能的研究，2019年，破解羽紋綱硅藻-三角褐指藻的FCP（Fucoxanthin Chlorophyll a/c protein）捕光天線二聚體的1.8埃分辨率晶體結構（Science，2019），描述FCP中葉綠素a，葉綠素c和巖藻黃素的精確結構信息。同年，該團隊與中科院院士、清華大學教授隋森芳帶領的研究團隊合作，進一步解析中心綱硅藻-纖細角毛藻的光系統II-捕光天線II復合物（Photosystem II-FCPII，PSII-FCPII）3.0埃分辨率的冷凍電鏡結構，闡明其光能高效傳遞和淬滅的結構基礎（Science，2019）。然而，硅藻光系統I結合的捕光天線數量及核心與捕光天線的結合方式尚不清楚，硅藻光系統I的光能捕獲和傳遞機制也未得到解析。

　　近期，植物所團隊與隋森芳團隊合作，利用單顆粒冷凍電鏡技術，解析硅藻PSI-FCPI超級復合物2.38埃分辨率的三維結構。研究發現，硅藻PSI-FCPI的反應中心有12個亞基，新發現的PsaR和PsaS亞基可能分別參與穩固外圍FCPI天線和從FCPI亞基向PSI核心的能量傳遞。PSI-FCPI的24個FCPIs在反應中心圍繞成三層，內層11個FCPI亞基形成一個封閉的結構，第二層的10個亞基形成半圈結構，最外層是3個亞基離核心距離達16nm。這是目前發現集合捕光天線最多的單體光系統。

　　PSI-FCPI結構中結合了326個葉綠素a、34個葉綠素c、102個巖藻黃素、35個硅甲藻黃素、18個β-胡蘿卜素和大量電子傳遞體、脂質以及水分子，這與藍藻、紅藻、綠藻以及高等植物的光系統I復合物的色素組成有顯著的差異，增加了硅藻PSI-FCPI的捕光截面，可幫助硅藻吸收更多的藍綠光用于光反應。精巧設計的巨大色素網絡、錯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I的反應中心。

　　10月8日，相關研究成果在線發表在Nature Communications上，植物所博士生徐才哲、清華大學博士后皮雄和博士生黃雅雯為論文共同第一作者，植物所研究員王文達和清華大學教授隋森芳為論文通訊作者。中科院院士、植物所研究員匡廷云，河北科技大學教授陳曉波和濟南大學教授秦曉春做出貢獻。研究工作得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、中科院青年創新促進會等的資助，并得到植物所公共技術服務中心和清華大學冷凍電鏡中心的技術支持。

纖細角毛藻PSI-FCPI超級復合物三維結構。（a）PSI-FCPI在類囊體膜基質側的俯視圖，外圍結合24個FCPI天線亞基；（b）PSI-FCPI 的側視圖，基質側發現新的PsaS亞基；（c-d）PSI-FCPI分別在基質側和囊腔側的超大色素網絡以及可能的能量傳遞途徑