隐藻的光适应与捕光调节机制

　　

　　放氧光合作用是自然界中重要的生命过程，可以将光能转化为化学能，合成有机物的同时释放氧气，为地球上绝大多数生命提供物质和能量。位于类囊体膜上的光系统I（photosystem I,PSI）和光系统II（photosystem II,PSII）对于光合作用光反应至关重要，两个光系统均由核心和外周捕光天线构成，其中光系统核心是高度保守的，但结合在核心外周的捕光天线在不同物种间存在着巨大差异，这些差异反映了不同光合生物对特定生存环境的适应，也体现了自然界中多样的光合调节机制。

　　隐藻是由红藻经次级内共生过程演化出的一类单细胞真核微藻，具有极其独特的捕光天线，包括位于类囊体膜内的叶绿素 a/c 结合蛋白（chlorophyll a/c proteins，CAC）和结合在类囊体膜外腔侧的藻胆蛋白（phycobiliprotein，PBP）。由于缺少隐藻光系统的结构信息，其核心与捕光天线的组装方式及其捕光调节机制尚不清楚，解析隐藻光系统-捕光天线复合物的高分辨率结构不仅为揭示这类光合生物的光合调节机制提供结构基础，而且能够为提高植物的光能利用效率、增加作物产量等提供新思路。

　　中国科学院生物物理研究所李梅研究组于2024年8月9日在《Nature?Communications》期刊在线发表了题为"Structural basis for the distinct core-antenna assembly of cryptophyte photosystem II"的研究工作。研究团队从平台生长期的隐藻细胞中分离提取到了隐藻PSII-CAC复合物样品，并解析了其2.6埃分辨率的单颗粒冷冻电镜结构（图1a）。该结构显示，隐藻中PSII核心与捕光天线CAC的结合方式与已往报道的其它光合生物PSII有很大不同，其CAC蛋白呈带状结合在PSII核心的两侧。在复合物中还发现一个新的核心-天线连接蛋白CAL-II，对整个复合物的形成和稳定至关重要（图1a）。该研究还对复合物中的色素分子进行了指认，并据此对CAC天线-光系统核心之间的能量途径进行了绘制，并探讨了隐藻PSII-CAC复合物的装配及作用机理，为理解隐藻的光能利用及环境适应机制提供了结构基础和新颖见解。

　　值得一提的是，2024年5月11日该研究团队还在《Communications?Biology》期刊发表了题为“Growth phase-dependent reorganization of cryptophyte photosystem I antennae”的研究论文，报道了处于不同生长时期（对数期和平台期）隐藻中四种PSI-CAC复合物的结构（图1b）。该项工作重点揭示了隐藻类PSI中一个新的核心亚基PsaQ以及膜内天线CAC依赖于生长时期的重排机制，并推测了隐藻中腔侧藻胆蛋白与光系统的结合模式。

　　中国科学院生物物理研究所的李梅研究员为两篇论文的通讯作者，李梅课题组的司龙博士为两篇论文的（共同）第一作者，李梅课题组的张书萌副研究员为《Communications?Biology》论文的共同第一作者。李梅课题组的苏小东、安晓敏和赵学琳也参与了上述研究工作。两项研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划及中国科学院青促会项目基金的资助，冷冻电镜数据收集和样品分析等工作得到中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台和中国科学院植物研究所公共技术服务平台相关工作人员的帮助和支持。

图1.（a）PSII-CAC复合物的电镜密度。(b)四种PSI-CAC复合物的结构。

　　文章链接:

　　https://www.nature.com/articles/s41467-024-51206-y

　　https://www.nature.com/articles/s42003-024-06268-5