假根羽藻重要光合膜蛋白超級(jí)復(fù)合物結(jié)構(gòu)獲解析

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2019-03-13

日前，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院植物研究所研究員匡廷云、研究員沈建仁帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)同濟(jì)南大學(xué)、清華大學(xué)的科研人員合作，揭示了假根羽藻一個(gè)重要的光合膜蛋白超級(jí)復(fù)合物——光系統(tǒng)I捕光復(fù)合物I（PSI-LHCI）的3.49分辨率結(jié)構(gòu)。該研究進(jìn)一步完善了對(duì)光合生物進(jìn)化過(guò)程中光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)的理解，為人工模擬光合作用機(jī)理、指導(dǎo)設(shè)計(jì)作物與提高植物的光能利用效率提供了新的理論依據(jù)和新思路。相關(guān)成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-植物》。

假根羽藻是生長(zhǎng)在潮間帶的大型綠藻，漲潮時(shí)藻體生長(zhǎng)在以藍(lán)綠光和綠光為主的弱光環(huán)境中能夠完成吸能、傳能和轉(zhuǎn)能過(guò)程以滿足自身生長(zhǎng)的需要，落潮時(shí)能夠適應(yīng)暴露的高光強(qiáng)環(huán)境并進(jìn)行光保護(hù)，具有獨(dú)特的光合作用特征。

研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)，對(duì)其PSI-LHCI結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析。研究發(fā)現(xiàn)，假根羽藻的PSI-LHCI具有13個(gè)核心復(fù)合物亞基、10個(gè)捕光天線復(fù)合物，是目前已報(bào)道的捕光天線數(shù)量最多PSI-LHCI結(jié)構(gòu)；10個(gè)捕光天線復(fù)合物的排布呈現(xiàn)特殊的雙環(huán)形式，這反映了假根羽藻對(duì)較弱光環(huán)境的適應(yīng)。同高等植物相比，假根羽藻的激發(fā)能傳遞速率卻更快，也證實(shí)了在陸地生存的高等植物為適應(yīng)強(qiáng)光環(huán)境在能量傳遞速率上付出了一定的代價(jià)。

匡廷云、沈建仁團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于光合膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究，此前已解析了豌豆、紅藻等PSI超級(jí)復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)。這是該團(tuán)隊(duì)在 PSI 結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域取得的又一重大突破。《自然-植物》同期報(bào)道了中科院生物物理所科研團(tuán)隊(duì)解析的另一種綠藻——衣藻的PSI-LHCI復(fù)合體結(jié)構(gòu)。這彰顯了我國(guó)科學(xué)家在光合膜蛋白結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

據(jù)了解，光系統(tǒng)I（PSI）是一個(gè)極高效率的光能吸收和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，其量子轉(zhuǎn)化效率超過(guò)90%。因此PSI高效吸能、傳能和轉(zhuǎn)能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受到科學(xué)家的關(guān)注。目前，原核生物藍(lán)藻、真核生物紅藻和高等植物PSI結(jié)構(gòu)都已被解析，然而綠藻PSI的高分辨率結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于空白。

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