近日，中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院、海洋生物多樣性與進(jìn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心張玉忠教授團(tuán)隊(duì)與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高軍教授等合作，在Nature Communications雜志在線發(fā)表了題為“Architecture of symbiotic dinoflagellate photosystem I–light-harvesting supercomplex in Symbiodinium”（共生甲藻蟲黃藻光系統(tǒng)I-捕光天線超復(fù)合物的結(jié)構(gòu)及功能）的研究論文。海洋生命學(xué)院張玉忠教授、劉魯寧教授和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高軍教授為該論文的共同通訊作者，中國海洋大學(xué)為該論文的第一完成單位和通訊作者單位。
光合作用是地球上最重要的生物化學(xué)反應(yīng)之一，可將太陽能轉(zhuǎn)化為生物能并產(chǎn)生氧氣，供地球上幾乎所有的生命使用。光能轉(zhuǎn)化依賴于光合膜上各種光合復(fù)合物以及游離電子傳遞載體間的精密協(xié)作，其中光系統(tǒng)I（photosystemI,PSI）是光合作用中最關(guān)鍵的蛋白質(zhì)復(fù)合體之一，在放氧光合作用的電子傳遞鏈中起到重要作用。目前已發(fā)表的多種光合生物的PSI結(jié)構(gòu)顯示：PSI的核心結(jié)構(gòu)非常保守，外圍捕光復(fù)合物（LHCI）差異較大，可能幫助不同的光合生物適應(yīng)進(jìn)化過程中多變的生存環(huán)境；PSI的光能捕獲傳遞過程及機(jī)制在不同光合生物中也存在差異，可能與不同生存環(huán)境下的光能利用相適應(yīng)。
甲藻中的共生藻—蟲黃藻（Symbiodinium）是珊瑚的光合內(nèi)共生體，通過光合作用向珊瑚宿主提供營養(yǎng)物質(zhì)及能量，對(duì)珊瑚宿主的生存至關(guān)重要。蟲黃藻與珊瑚的共生關(guān)系十分復(fù)雜，受到多種環(huán)境因素的影響，諸如高溫、高光都有可能破壞蟲黃藻和珊瑚之間的共生，導(dǎo)致珊瑚死亡。目前已有研究表明蟲黃藻PSI具有光保護(hù)作用，然而蟲黃藻如何進(jìn)化出特定的PSI–LHCI復(fù)合體來實(shí)現(xiàn)高效的能量和電子傳遞、電荷分離以及光保護(hù)目前尚不清楚。而高分辨率結(jié)構(gòu)的缺乏也阻礙了對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能適應(yīng)共生環(huán)境的深入理解。
本研究利用冷凍電鏡單顆粒分析技術(shù)研究了蟲黃藻PSI–LHCI的高分辨率結(jié)構(gòu)，闡明了其結(jié)構(gòu)特征。PSI核心由13個(gè)亞基組成，包括兩個(gè)新鑒定的亞基，PsaT和PsaU，核心外圍結(jié)合13個(gè)含有葉綠素a/c（Chla/c）及多甲藻黃素（peridinin）的捕光復(fù)合物（AcpPCI）。通過與紅藻進(jìn)化支系的其他PSI進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，蟲黃藻核心亞基PsaD/E/I/J/L/M/R和捕光復(fù)合物AcpPCI-1/3/5/7/8/11亞基的末端結(jié)構(gòu)延長，這些延長末端與周圍亞基發(fā)生大量相互作用。核心亞基PsaA和PsaB的結(jié)構(gòu)非常保守，但在蟲黃藻PSI–AcpPCI中，其表面loop結(jié)構(gòu)發(fā)生了大量變化，與特殊亞基的末端延長結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征增強(qiáng)了核心與AcpPCIs之間以及核心亞基之間的結(jié)合，提高了PSI–AcpPCI復(fù)合體的穩(wěn)定性，幫助蟲黃藻適應(yīng)其特殊的共生生存環(huán)境。
圖1 蟲黃藻PSI-LHCI復(fù)合物的原子結(jié)構(gòu)
蟲黃藻PSI–AcpPC具有獨(dú)特的色素排布網(wǎng)絡(luò)，核心PsaA和PsaB亞基由于結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了大量色素位點(diǎn)的缺失及新增。能量傳遞模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)PSI–AcpPCI中形成了獨(dú)特的能量傳遞路徑，能夠進(jìn)行高效的能量傳遞和淬滅。該研究為揭示共生甲藻PSI–LHCI適應(yīng)共生生態(tài)系統(tǒng)的捕光和能量傳遞機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并為深入理解PSI–LHCI在不同光合生物中的進(jìn)化多樣性提供了基礎(chǔ)。
圖2 蟲黃藻PSI-LHCI的能量傳遞路徑
張玉忠教授研究團(tuán)隊(duì)長期從事藻類光合作用的研究，近期藻類光合作用研究成果發(fā)表Nature Plants（Nat Plants, 2020, 6: 869）、The Plant Cell（Plant Cell, 2023, 35: 2449）、Plant Physiology（Plant Physiol, 2022, 190: 1883）上。本次在Nature Communications上發(fā)表的研究成果是該團(tuán)隊(duì)藻類光合作用研究中的又一個(gè)重要進(jìn)展。
該論文由中國海洋大學(xué)、山東大學(xué)、嶗山實(shí)驗(yàn)室和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位相關(guān)學(xué)者合作完成，該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
通訊員：李春陽
|
