光合作用是地球上規(guī)模最大、最重要的化學(xué)反應(yīng)。光合生物利用太陽(yáng)能合成有機(jī)物，釋放出氧氣，為人類繁衍和社會(huì)發(fā)展提供基本的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來(lái)源【1】。歷經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)變遷和適應(yīng)進(jìn)化過(guò)程，光合生物重新塑造了地球表面和大氣層成分，也演化出了千姿百態(tài)的生命形態(tài)。最為人所熟悉的就是陸地上各種各樣的綠色植物，而海洋光合生物也貢獻(xiàn)了地球上每年原初生產(chǎn)力的一半左右，與陸地植物相當(dāng)。其中，硅藻（Diatoms）貢獻(xiàn)了地球上每年約20%的原初生產(chǎn)力（吸收二氧化碳的能力占全球生態(tài)系統(tǒng)的五分之一左右）【2】，比熱帶雨林的貢獻(xiàn)還要高，因此在地球的元素（碳、氮、氧、硅等）循環(huán)和氣候變化中發(fā)揮著重要作用【3】。
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硅藻（wikipedia.org/wiki/Diatom）
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硅藻可能起源于紅藻的二次內(nèi)共生事件，是現(xiàn)代海洋最“成功”的浮游光合生物之一，也是是海洋赤潮的主要類群之一。硅藻具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，種類繁多，在海洋中從赤道到兩極都有分布，甚至在淡水、土壤和空氣中都可以生存。那么硅藻為何會(huì)如此“成功”呢？先前的研究表明，精致的硅納米結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁、緊密的線粒體和葉綠體能量偶聯(lián)、奇特的氮素代謝能力、強(qiáng)大高效的光合作用能力是硅藻能夠在海洋中繁盛的重要原因。硅藻捕光天線蛋白“巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白復(fù)合體”（Fucoxanthin chlorophyll a/c protein，F(xiàn)CP）具有出色的藍(lán)綠光捕獲能力和極強(qiáng)的光保護(hù)能力，是硅藻細(xì)胞快速生長(zhǎng)和繁殖的能量基礎(chǔ)【4,5】。然而，硅藻光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期沒(méi)有得到解析，極大限制了硅藻光合作用的研究。
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圖1：三角褐指藻類囊體膜上的 FCP 二聚體晶體結(jié)構(gòu)。A和B：FCP 蛋白和晶體；蛋白中的葉綠素a（綠色），葉綠素c（洋紅色），巖藻黃素（橙色）和硅甲藻黃素（藍(lán)色）分子結(jié)構(gòu)分別以棍狀圖顯示。
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2019年2月8日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊 Science 在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院植物研究所沈建仁和匡廷云研究團(tuán)隊(duì)題為Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms 的研究長(zhǎng)文（Article），報(bào)道了硅藻捕光天線蛋白 (FCP) 捕獲藍(lán)綠光和淬滅過(guò)剩激發(fā)能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這是硅藻的第一個(gè)光合膜蛋白結(jié)構(gòu)解析研究工作（圖1和2），也是中國(guó)科學(xué)院植物研究所繼高等植物和紅藻重要光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究之后【6-8】，在海洋重要光合生物膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域取得的又一重要突破。
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硅藻的FCP復(fù)合體屬于捕光天線復(fù)合物超級(jí)蛋白家族，但其氨基酸序列與高等植物和綠藻的葉綠素a/b捕光天線蛋白（LHC蛋白）的序列同源性很低【6】，特別是在N和C末端差異很大（圖3A）。尤其是 HelixD 和一些關(guān)鍵氨基酸丟失，導(dǎo)致 FCP 以同質(zhì)二聚體的方式聚合，而不是多年以來(lái)預(yù)測(cè)的三聚體模型。FCP 依賴類囊體膜基質(zhì)側(cè)表面的氫鍵和膜內(nèi)的兩個(gè)葉綠素以及一對(duì) Helices C 形成的強(qiáng)力疏水作用形成二聚體（圖2）。
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圖2：FCP二聚體結(jié)合方式。A：葉綠素（Chl）a406和Helices C形成的大范圍疏水作用；B和C：類囊體膜表面的R104和S100側(cè)鏈形成一對(duì)氫鍵
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FCP 結(jié)合大量巖藻黃素和葉綠素c，可捕獲藍(lán)綠光，以適應(yīng)深水下弱光環(huán)境，也使得硅藻細(xì)胞呈現(xiàn)紅褐色。研究人員通過(guò)結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，每個(gè) FCP 單體中結(jié)合7個(gè)葉綠素a，7個(gè)巖藻黃素，2個(gè)葉綠素c，1個(gè)硅甲藻黃素和一些脂類及去垢劑分子（圖1和圖3）。每個(gè) FCP 單體結(jié)合的葉綠素?cái)?shù)量少于 LHCII 復(fù)合體中的14個(gè)葉綠素（圖3B）。2個(gè)葉綠素c都結(jié)合在葉綠素a和巖藻黃素形成的特征性口袋結(jié)構(gòu)中，每個(gè)葉綠素c分子分別與2個(gè)葉綠素a分子成簇，并與其中1個(gè)葉綠素a分子緊密耦合；每個(gè)葉綠素簇內(nèi)的葉綠素距離都在3.5?左右（圖4），可以使能量快速高效地傳遞。 FCP 二聚體內(nèi)部的葉綠素距離都在10?之內(nèi)，使激發(fā)能達(dá)到快速的平衡和傳遞。
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圖3：FCP 和 LHCII 結(jié)構(gòu)對(duì)比。A：Lhcf4 和 Lhcb1 的二級(jí)結(jié)構(gòu)差異；B:FCP結(jié)合的葉綠素a（綠色）和葉綠素c（洋紅色），LHCII 中的葉綠素a/b分別用藍(lán)色和銀色顯示。C:類胡蘿卜素結(jié)合位點(diǎn)對(duì)比。硅甲藻黃素:Ddx；葉黃素:Lut；紫黃質(zhì):Vio；新黃質(zhì):Neo。
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圖4： FCP 單體中的葉綠素c和巖藻黃素結(jié)合位點(diǎn)。A：對(duì)稱分布的葉綠素c和巖藻黃素及其結(jié)合的氨基酸側(cè)鏈。B和C：葉綠素簇與巖藻黃素分子的空間關(guān)系。
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巖藻黃素是具有共軛羰基的類胡蘿卜素，具有很強(qiáng)的溶劑效應(yīng)，其結(jié)合的極性的蛋白環(huán)境是捕獲綠光的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在每個(gè) FCP 單體中，6個(gè)巖藻黃素分子插入到光合膜內(nèi)，另1個(gè)新型的巖藻黃素分子水平結(jié)合在膜表面，這拓展了類胡蘿卜素在捕光天線蛋白中的結(jié)合方式和綠光捕獲能力。其中 Fx303 和 Fx305 與高等植物的 Lutein 相似（圖3C），結(jié)合在完全疏水的膜內(nèi)蛋白環(huán)境中，以此推測(cè)其吸收光譜紅移最少，主要捕光藍(lán)綠光（460-500 nm）。結(jié)合在葉綠素c丙烯酸尾部的 Fx306 和 Fx307 的兩個(gè)末端基團(tuán)都暴露在極性環(huán)境下，導(dǎo)致它們的吸收光譜紅移至 500-550 nm，可以幫助硅藻捕獲并利用綠光。平躺的 Fx304 也將兩個(gè)末端基團(tuán)都暴露在膜表面，也是可以捕獲綠光的巖藻黃素分子。而 Fx301 和 Fx302 只有一個(gè)末端基團(tuán)暴露在類囊體膜囊腔側(cè)（圖5A），捕獲綠光的能力介于前兩類之間。
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所有巖藻黃素與葉綠素距離都在 4 ?之內(nèi)，形成共軛系統(tǒng)的偶聯(lián)，使其捕獲的光能可以高效地向葉綠素傳遞，同時(shí)也可能使巖藻黃素作為光保護(hù)的有效分子（圖5 B-F）。硅甲藻黃素分子與 FCP 蛋白結(jié)合較弱，可能是與周圍的膜脂分子相關(guān)，以便于參加到硅藻的類胡蘿卜素循環(huán)中，進(jìn)而使得硅藻適應(yīng)從水下到水面的快速劇烈的光環(huán)境變化（圖1和圖5）。
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圖5 巖藻黃素和硅甲藻黃素在 FCP 二聚體中的蛋白結(jié)合環(huán)境（A）以及與葉綠素之間的空間關(guān)系（B-G）。
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該高分辨率的 FCP 晶體結(jié)構(gòu)首次描繪了葉綠素c和巖藻黃素在光合膜蛋白中的結(jié)合細(xì)節(jié)，闡明了葉綠素和巖藻黃素在 FCP 復(fù)合體中的空間排布，揭示了葉綠素c和巖藻黃素捕獲藍(lán)綠光并高效傳遞能量的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；首次揭示了 FCP 二聚體的結(jié)合方式，對(duì)幾十年來(lái)硅藻主要捕光天線蛋白聚合狀態(tài)研究提供了第一個(gè)明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這一研究工作為揭示光合作用光反應(yīng)拓展捕光截面和高效捕獲傳遞光能機(jī)理，以及硅藻超強(qiáng)的光保護(hù)機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；為實(shí)現(xiàn)光合作用寬幅捕獲和快速傳遞光能的理論計(jì)算提供了可能，為人工模擬光合作用機(jī)理提供了新理論依據(jù)。也為指導(dǎo)設(shè)計(jì)新型作物、提高植物的捕光和光保護(hù)效率提供了新思路和新策略。
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匡廷云院士與沈建仁研究員為該論文的通訊作者，王文達(dá)博士和于龍江博士為本文共同第一作者。本項(xiàng)目得到日本岡山大學(xué)的合作研究支持，也得到了上海光源同步輻射光源、日本 SPring8 和 KEK 同步輻射光源、以及瑞士 SLS 同步輻射光源的技術(shù)支持；中國(guó)科技部國(guó)家蛋白質(zhì)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中組部人才支持項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院前沿重點(diǎn)項(xiàng)目和院長(zhǎng)基金提供了經(jīng)費(fèi)資助。
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據(jù)了解，該論文最初投稿的類型為report，Science 編輯部和四位 Reviewers 都對(duì)該高分辨率的海洋硅藻捕光天線蛋白工作給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為這是非常出色和有科學(xué)意義的工作，是相關(guān)研究領(lǐng)域期待已久的結(jié)構(gòu)解析工作，并建議投稿的Report版本拓展為Article形式發(fā)表。
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論文原文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/363/6427/eaav0365
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