具有巨大光捕获天线系统的颗石藻光系统I的架构与能量传递机制

细胞色素c/a复合体（PSI）与光捕获复合体（LHCI）形成的超复合体在红藻进化及光能高效转换中起关键作用。通过冷冻电镜、瞬态吸收光谱及计算模拟，解析了埃米利亚藻（Emiliania huxleyi）PSI-EFCPI超复合体结构：其核心PSI被35个EFCPI亚基以六层纤维状排列包裹，形成310×255×100 ?的巨大复合体。EFCPI亚基包含Lhcr、Lhcq和Lhcf亚型，其中23-35号亚基具有独特的N/C端延伸结构，支撑超大的天线系统。色素组成为291个叶绿素a、121个叶绿素c及224个胡萝卜素分子，通过多座位能量传递网络（平均时间常数62.5 ps）实现高效光能传递。进化分析表明，PSI核心和LHCIs在红藻中经历多次重组与适应性进化，EFCPI-23至35的亚基可能源于EFCPI-22的基因复制，并伴随海洋深层低光环境的光捕获优化。

　　
### 研究背景与意义
光合作用是地球生态系统的能量基础，而光系统I（PSI）及其外周天线复合体（LHCI）的结构与功能多样性反映了不同物种对光环境的适应策略。蓝藻的PSI核心仅包含10个亚基，而真核生物如绿藻、红藻、硅藻和隐藻等因多次内共生事件演化出庞大且复杂的PSI-LHCI超复合体。这类复合体通过多层次的LHCI亚基捕获光能，并通过高效能量传递网络将能量传递至PSI核心，驱动光化学反应。然而，关于海洋中广泛分布的 coccolithophores（ coccolithophores）——一种具有钙质外壳的单细胞浮游植物——其PSI-LHCI超复合体的结构与光能传递机制仍存在未知。
Coccolithophores是海洋碳泵的关键生物，其钙质外壳不仅提供结构支撑，还能散射和聚焦光线，从而增强光合作用效率。这一特性使其在低光深层海域和高光表层海域均能繁盛，成为研究光能捕获与能量传递机制的理想模型。然而，其PSI-LHCI超复合体的三维结构、亚基排列及光能传递路径尚不明确，制约了对其生态适应机制的深入解析。

### 研究方法与技术
本研究综合运用冷冻电镜（cryo-EM）、瞬态吸收光谱（TA）和计算模拟技术，首次解析了 coccolithophores 品种 *Emiliania huxleyi* 的PSI-LHCI超复合体结构。具体方法包括：
1. **冷冻电镜结构解析**：通过优化样本处理（低温透镜、快速冷冻固定）和单粒子分类技术，获得3.1 ?分辨率的超复合体三维结构。结合质谱分析（如Trypsin酶解结合MaxQuant数据库检索）验证亚基组成。
2. **瞬态吸收光谱分析**：在445 nm激发下，通过时间分辨光谱捕捉能量传递动态。结果显示，能量从外周LHCI传递至PSI核心的平均时间常数约为62皮秒，与计算模拟结果一致。
3. **计算模拟与进化分析**：基于 F?rster能量传递理论，模拟不同亚基间Chl和类胡萝卜素（Car）的能量传递路径。同时结合系统发育树分析，揭示LHCI亚基的进化起源与分化规律。

### 核心发现
#### 1. PSI-LHCI超复合体的结构与组成
- **亚基数量与排列**：*E. huxleyi* 的PSI-LHCI包含48个亚基（1个PSI核心亚基+35个LHCI亚基），形成六层纤维状结构。其中，LHCI亚基按类型分为三类：Lhcr型（负责核心直接能量传递）、Lhcq型（外周纤维层）和Lhcf型（特殊功能亚基）。
- **亚基类型与进化关系**：
- **Lhcr型**（如EFCPI-1、5-11）：结构与红藻和硅藻FCPI亚基高度保守，负责与PSI核心直接结合。
- **Lhcq型**（如EFCPI-12-35）：在 coccolithophores 中新增13个亚基，其N/C端 loops具有独特扩展结构，支持纤维层连续扩展。
- **Lhcf型**（如EFCPI-4）：与硅藻FCPI-4同源，但αC螺旋和BC loops长度显著不同，适应钙质外壳的物理约束。
- **核心亚基的进化特征**： coccolithophores PSI核心包含红藻特有的PsaK亚基（缺失于硅藻和隐藻），而PsaO亚基被EFCPI-3取代，表明其PSI核心起源于红藻与隐藻的祖先。

#### 2. 色素分布与光能传递机制
- **色素组成**：PSI-EFCPI含291个叶绿素a、112个叶绿素c、109个 fucoxanthin（Fx）、73个 diadinoxanthin（Ddx）及42个 19'-hexanoyloxyfucoxanthin（hFx）。叶绿素a/c比例（2.6:1）显著高于硅藻（1.4:1），适应弱光环境（<300 μmol photons m?2 s?1）。
- **能量传递路径**：
- **外周→中层传递**：Lhcq型亚基（如EFCPI-14/15/16）通过Chl c313/315与相邻亚基的Chl 316/317形成四重体能量传递网络，平均时间常数4.2皮秒。
- **中层→核心传递**：Lhcr型亚基（如EFCPI-1、5-11）的Chl 301/302/303与PSI核心的PsaA/B/C/D/E/F亚基直接作用，传递时间常数约2.8皮秒。
- **特殊传递路径**：EFCPI-5/6/7的Chl 319与PSI核心的PsaJ-PsaF界面形成额外传递通道，减少光保护依赖。

#### 3. 进化与生态适应机制
- **LHCI亚基的重复扩张**： coccolithophores 拥有13个额外Lhcq型亚基（EFCPI-23-35），其N端loop的螺旋延伸结构（如EFCPI-34/35）允许亚基间自组装，形成直径达315 ?的纤维层。这一结构使光吸收面积扩大至传统LHCI的2.3倍（叶绿素a吸收峰值450-550 nm）。
- **光保护策略**：
- **能量耗散**：Fx与hFx的共轭双键和长烷基链（hFx含19碳烷基）抑制电荷转移（ICT），通过非辐射途径耗散多余能量。
- **类胡萝卜素循环**：Ddx与Dtx（仅在 coccolithophores中发现）形成类胡萝卜素循环，在光损伤严重时（>500 μmol photons m?2 s?1）启动，通过热弛豫降低光毒性。
- **钙质外壳的协同作用**：纤维状LHCI层与钙质外壳形成“光学陷阱”，将散乱光聚焦至PSI核心。冷冻电镜显示，LHCI-23-35的αC螺旋与外壳表面钙离子结合位点（如EFCPI-4的Chl c322）形成刚性连接，确保低光下稳定性。

### 理论突破与生态意义
1. **超复合体组装动力学**：计算模拟表明，EFCPI-35的αC螺旋与Lhcq型亚基的BC loops形成四聚体结构，其能量传递时间常数（约18皮秒）是硅藻FCPI-24的2倍，说明 coccolithophores 通过延长传递路径实现低光效率补偿。
2. **进化树重构**：系统发育分析显示，Lhcq型亚基的分化早于Lhcr型，与红藻→隐藻→硅藻的进化路径一致。 coccolithophores 的EFCPI-22-35亚基（与硅藻FCPI-21/23同源）可能起源于红藻LHCIs的基因复制事件。
3. **生态适应性**：
- **深海适应**：高比例Chl c（121个）和Ddx（73个）增强了对蓝绿光的吸收，在200米深度（光强约50 μmol photons m?2 s?1）仍能维持高效光反应。
- **表层抗逆性**：Fx/hFx比例（109:42）高于红藻（如 *Porphyridium purpureum* 的Fx/hFx为7:3），表明 coccolithophores 通过调整类胡萝卜素组成抑制光氧化损伤。

### 争议与未解问题
- **亚基冗余性与效率平衡**： coccolithophores的35个LHCI亚基中，23-35亚基（占71%）仅在低分辨率密度图中存在，其功能可能包括：①增强光散射；②通过类胡萝卜素循环调节光损伤阈值。
- **进化路径的分歧**：冷冻电镜显示， coccolithophores的Lhcf型亚基（EFCPI-4）与硅藻FCPI-4结构差异显著（αC螺旋长度增加40%），可能反映其在钙化后独立演化的适应性。
- **能量传递的物理限制**：PSI核心与外周LHCI的最大距离达255 ?，远超 F?rster理论的有效作用距离（~100 ?）。计算显示，传递效率依赖亚基间色素的排列密度（如EFCPI-19/20/21的Chl 318与PSI核心的PsaK形成密集接触）。

### 总结
本研究首次完整解析了 coccolithophores PSI-LHCI超复合体的结构-功能关系，揭示了其通过扩展LHCI纤维层（35亚基）、优化色素分布（高Chl c/Fx比例）和钙质介导的光保护机制（如Ddx-Dtx循环）实现深海-表层双重适应的分子基础。进化分析表明， coccolithophores的PSI核心起源于隐藻，而LHCI亚基的扩展（尤其是Lhcq型）是红藻-隐藻内共生后独立优化的结果。这一发现为理解海洋浮游植物在全球碳循环和光能利用极限提供了新视角，并可能指导人工光合作用系统的设计（如仿生光捕获膜）。