海南大學發(fā)現(xiàn)海洋微藻“光利用”與“光損傷”平衡調(diào)控機制
碳排放已成為制約我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、影響國家安全的重大瓶頸。與以物理封存與化學吸收為基礎(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。作為地球上最主要的初級生產(chǎn)者，藻類通過光合作用，將光能和二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學能，貢獻了海洋初級生產(chǎn)力的95％和全球初級生產(chǎn)力的近50%，在生物圈碳循環(huán)和生態(tài)平衡過程中扮演著重要的角色。近日，海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室、海洋學院在海洋微藻光合機制研究取得重要進展，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)分子機器。為了最大程度地利用太陽能并防止過剩光能造成光損傷，微藻進化出了多樣的遺傳機制和復雜的表型可塑性。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。真核藻類的光捕獲復合物（LHC）中已演化出巨大的結(jié)構(gòu)和功能多樣性，從而實現(xiàn)在各種光照條件下的光捕獲與光保護的平衡（Qin et al.,Nature Plant 2019;Wang et al.,Science 2019）。RL系真核藻類（red lineage）起源于一次內(nèi)吞紅藻或多次內(nèi)吞事件，它們具有稱為LHCR的葉綠素a結(jié)合蛋白，該系統(tǒng)代表了在紅藻中進化形成并通過繼發(fā)性內(nèi)共生而獲得的古老的天線蛋白形式。然而LHCR復合體的功能和調(diào)節(jié)機制一直是科學界的未解之謎。
海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室、海洋學院環(huán)境微生物團隊以海洋微擬球藻（Nannochloropsis oceanica）為模式，通過定向進化、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，但提高了對強光（HL）的耐受力。進一步的研究表明，突變體對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，進而有利于其HL下的生長。同時，該蛋白具有廣泛的進化分布和相對保守功能，在光保護與光利用之間的動態(tài)平衡過程中起到關(guān)鍵的作用。相關(guān)機制的發(fā)現(xiàn)為開發(fā)調(diào)控“光利用”與“光損傷”平衡的合成生物學方法提供了理論支撐。
該研究獲得了國家科學基金（32060061）、自然資源部海洋經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展示范項目（HHCL201803）、南海海洋資源利用國家重點實驗室開放課題（MRUKF2021003）、海南省自然科學基金高層次人才項目（2019RC033）、海南大學科研啟動經(jīng)費（KYQD1561）和海南省委“南海名家”青年學者等項目的支持，海南大學作為第一單位，由南海國重、海洋學院路延篤教授聯(lián)合美國勞倫斯伯克利國家實驗室分子生物物理學和生物影像中心、伯克利大學、霍華德休斯醫(yī)學研究所等完成，并得到中國科學院青島生物能源與過程所徐健研究員、河南大學張立新教授和中國科學院植物所楊文強研究員等的幫助。
