颗石藻（Coccolithophores）是海洋中的主要浮游植物之一，其细胞壁是由碳酸钙晶体组成的颗石片。颗石藻在白垩纪达到鼎盛，不仅是海洋初级生产力的主要贡献者，也依靠其碳酸钙外壳在地层中留下显著的“白垩”痕迹，因此在海洋碳沉积和全球碳循环中扮演重要角色。颗石藻能够适应海水不同深度的多变光环境，高效的光合自养生长可助其快速繁殖。但颗石藻光系统复合物如何能高效捕获和利用光能的微观机理并不清楚，进化机制也未见报道。

中国科学院植物研究所王文达研究员和田利金研究员带领团队首次纯化并解析了来自赫氏艾米里颗石藻（Emiliania huxleyi）的光系统I-岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白（PSI-FCPI）超级复合物三维结构，这一研究首次在原子层面揭示了颗石藻通过扩展和优化其光系统结构来适应海洋光环境的独特策略，是光合生物适应进化研究中的一个重大发现。

颗石藻PSI-FCPI超级复合物是一个由51个蛋白亚基和819个色素分子组成的，分子量高达1.66兆道尔顿的巨大光合膜蛋白机器。其分子量远超已报道的真核生物PSI捕光天线复合物，捕光截面是典型陆地植物（豌豆）PSI超级复合物的4~5倍。飞秒瞬态吸收光谱结果表明，颗石藻PSI-FCPI捕获光能的量子转化效率超过95%，与陆地植物PSI超级复合物效率相当，说明颗石藻PSI-FCPI具备特殊的蛋白组装和能量传递特征。

分析发现，颗石藻的PSI核心周围环绕着38个FCPI捕光天线，包括Lhcr、Lhcf、Lhcq、RedCAP，以及新发现的Lhcq-like亚基，并以模块化的方式排列成8个放射状排布的捕光天线条带。这种“旋涡围绕”PSI核心的巨型捕光天线依靠大量Lhcq和Lhcq-like天线的精密装配，极大地扩展了捕光面积。此外，研究团队鉴定到丰富的叶绿素c和岩藻黄素类型的类胡萝卜素，这些色素在Lhcq和Lhcq-like类型捕光天线中含量极高，使其能有效地吸收深水区的蓝绿光（460~490 nm）和绿光（490~540 nm）。此外，大量叶绿素c与叶绿素a形成了紧密的能量耦联并消除了能量陷阱，构成了平坦畅通的能量传递网络，这可能是其保持超高量子转化效率的关键。

该研究为理解光合生物高效的能量转化机理提供了新的结构模型，对设计新型光合作用蛋白、指导人工模拟和开发高碳汇生物资源具有重要意义。

该研究成果于9月12日以封面论文形式发表于国际学术期刊Science上。植物所博士研究生申丽丽、任菲、郑梦圆，博士后李振华，烟台海岸带研究所王寅初博士为本文共同第一作者，植物所王文达研究员、田利金研究员为共同通讯作者。匡廷云院士、植物所韩广业研究员、海岸带所秦松研究员、石河子大学范建华教授等参与了该研究。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院项目、和黄河三角洲农业高新技术产业示范区科技专项、山东省联合基金等项目的资助。

颗石藻光系统I-捕光天线超大复合物结构及其能量转化效率

文章链接：https://doi.org/10.1126/science.adv2132

（饲草种质高效设计与利用全国重点实验室供稿）