海南大學(xué)發(fā)現(xiàn)海洋微藻“光利用”與“光損傷”平衡調(diào)控機(jī)制
碳排放已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、影響國(guó)家安全的重大瓶頸。與以物理封存與化學(xué)吸收為基礎(chǔ)的碳捕獲技術(shù)相比，以微藻為代表的光驅(qū)固碳體系具有明顯的優(yōu)勢(shì)。作為地球上最主要的初級(jí)生產(chǎn)者，藻類(lèi)通過(guò)光合作用，將光能和二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，貢獻(xiàn)了海洋初級(jí)生產(chǎn)力的95％和全球初級(jí)生產(chǎn)力的近50%，在生物圈碳循環(huán)和生態(tài)平衡過(guò)程中扮演著重要的角色。近日，海南大學(xué)南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海洋學(xué)院在海洋微藻光合機(jī)制研究取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一種嶄新的基于光系統(tǒng)I捕光天線的“光利用”與“光損傷”平衡的調(diào)控機(jī)制。該研究成果于1月29日在線發(fā)表于Nature Communications。
捕光天線是自然界中捕獲光能、固定二氧化碳最主要的蛋白質(zhì)分子機(jī)器。為了最大程度地利用太陽(yáng)能并防止過(guò)剩光能造成光損傷，微藻進(jìn)化出了多樣的遺傳機(jī)制和復(fù)雜的表型可塑性。在高度變化的海洋環(huán)境中保持這種平衡具有極高的挑戰(zhàn)性。能量的捕獲（陽(yáng)光）及其使用（通常是碳固定和新陳代謝）受多種連續(xù)變化的參數(shù)（例如日射率，溫度條件和養(yǎng)分）的影響。真核藻類(lèi)的光捕獲復(fù)合物（LHC）中已演化出巨大的結(jié)構(gòu)和功能多樣性，從而實(shí)現(xiàn)在各種光照條件下的光捕獲與光保護(hù)的平衡（Qin et al.,Nature Plant 2019;Wang et al.,Science 2019）。RL系真核藻類(lèi)（red lineage）起源于一次內(nèi)吞紅藻或多次內(nèi)吞事件，它們具有稱(chēng)為L(zhǎng)HCR的葉綠素a結(jié)合蛋白，該系統(tǒng)代表了在紅藻中進(jìn)化形成并通過(guò)繼發(fā)性內(nèi)共生而獲得的古老的天線蛋白形式。然而LHCR復(fù)合體的功能和調(diào)節(jié)機(jī)制一直是科學(xué)界的未解之謎。
海南大學(xué)南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海洋學(xué)院環(huán)境微生物團(tuán)隊(duì)以海洋微擬球藻（Nannochloropsis oceanica）為模式，通過(guò)定向進(jìn)化、蛋白質(zhì)組等分離并表征了一株名為hlr1的LHCR突變體。HLR1缺失減弱了PSI的光捕獲能力，但提高了對(duì)強(qiáng)光（HL）的耐受力。進(jìn)一步的研究表明，突變體對(duì)HL耐受性的提高歸因于光系統(tǒng)I（PSI）的變化，使其不易產(chǎn)生活性氧，從而限制了氧化損傷，進(jìn)而有利于其HL下的生長(zhǎng)。同時(shí)，該蛋白具有廣泛的進(jìn)化分布和相對(duì)保守功能，在光保護(hù)與光利用之間的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中起到關(guān)鍵的作用。相關(guān)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)為開(kāi)發(fā)調(diào)控“光利用”與“光損傷”平衡的合成生物學(xué)方法提供了理論支撐。
該研究獲得了國(guó)家科學(xué)基金（32060061）、自然資源部海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展示范項(xiàng)目（HHCL201803）、南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（MRUKF2021003）、海南省自然科學(xué)基金高層次人才項(xiàng)目（2019RC033）、海南大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（KYQD1561）和海南省委“南海名家”青年學(xué)者等項(xiàng)目的支持，海南大學(xué)作為第一單位，由南海國(guó)重、海洋學(xué)院路延篤教授聯(lián)合美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分子生物物理學(xué)和生物影像中心、伯克利大學(xué)、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所等完成，并得到中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程所徐健研究員、河南大學(xué)張立新教授和中國(guó)科學(xué)院植物所楊文強(qiáng)研究員等的幫助。
