顆石藻（Coccolithophores）是海洋中的主要浮游植物之一，其細胞壁是由碳酸鈣晶體組成的顆石片。顆石藻在白堊紀達到鼎盛，不僅是海洋初級生產力的主要貢獻者，也依靠其碳酸鈣外殼在地層中留下顯著的“白堊”痕跡，因此在海洋碳沉積和全球碳循環(huán)中扮演重要角色。顆石藻能夠適應海水不同深度的多變光環(huán)境，高效的光合自養(yǎng)生長可助其快速繁殖。但顆石藻光系統(tǒng)復合物如何能高效捕獲和利用光能的微觀機理并不清楚，進化機制也未見報道。

顆石藻光系統(tǒng)I-捕光天線超大復合物結構及其能量轉化效率

國家植物園（南園）王文達研究員和田利金研究員帶領團隊首次純化并解析了來自赫氏艾米里顆石藻（Emiliania huxleyi）的光系統(tǒng)I-巖藻黃素葉綠素a/c結合蛋白（PSI-FCPI）超級復合物三維結構，這一研究首次在原子層面揭示了顆石藻通過擴展和優(yōu)化其光系統(tǒng)結構來適應海洋光環(huán)境的獨特策略，是光合生物適應進化研究中的一個重大發(fā)現(xiàn)。

顆石藻PSI-FCPI超級復合物是一個由51個蛋白亞基和819個色素分子組成的，分子量高達1.66兆道爾頓的巨大光合膜蛋白機器。其分子量遠超已報道的真核生物PSI捕光天線復合物，捕光截面是典型陸地植物（豌豆）PSI超級復合物的4~5倍。飛秒瞬態(tài)吸收光譜結果表明，顆石藻PSI-FCPI捕獲光能的量子轉化效率超過95%，與陸地植物PSI超級復合物效率相當，說明顆石藻PSI-FCPI具備特殊的蛋白組裝和能量傳遞特征。

分析發(fā)現(xiàn)，顆石藻的PSI核心周圍環(huán)繞著38個FCPI捕光天線，包括Lhcr、Lhcf、Lhcq、RedCAP，以及新發(fā)現(xiàn)的Lhcq-like亞基，并以模塊化的方式排列成8個放射狀排布的捕光天線條帶。這種“旋渦圍繞”PSI核心的巨型捕光天線依靠大量Lhcq和Lhcq-like天線的精密裝配，極大地擴展了捕光面積。此外，研究團隊鑒定到豐富的葉綠素c和巖藻黃素類型的類胡蘿卜素，這些色素在Lhcq和Lhcq-like類型捕光天線中含量極高，使其能有效地吸收深水區(qū)的藍綠光（460~490 nm）和綠光（490~540 nm）。此外，大量葉綠素c與葉綠素a形成了緊密的能量耦聯(lián)并消除了能量陷阱，構成了平坦暢通的能量傳遞網(wǎng)絡，這可能是其保持超高量子轉化效率的關鍵。

該研究為理解光合生物高效的能量轉化機理提供了新的結構模型，對設計新型光合作用蛋白、指導人工模擬和開發(fā)高碳匯生物資源具有重要意義。

該研究成果于9月12日以封面論文形式發(fā)表于國際學術期刊Science上。國家植物園（南園）博士研究生申麗麗、任菲、鄭夢圓，博士后李振華，煙臺海岸帶研究所王寅初博士為本文共同第一作者，國家植物園（南園）王文達研究員、田利金研究員為共同通訊作者?？锿⒃圃菏?、國家植物園（南園）韓廣業(yè)研究員、海岸帶所秦松研究員、石河子大學范建華教授等參與了該研究。研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院項目和黃河三角洲農業(yè)高新技術產業(yè)示范區(qū)科技專項、山東省聯(lián)合基金等項目的資助。