裸藻起源于一次吞噬性裸藻與綠藻的二次內(nèi)共生事件，這一獨(dú)特的進(jìn)化歷程使其成為綠色譜系質(zhì)體演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并形成了兼具動(dòng)植物特征、擁有復(fù)雜嵌合基因組的混合營(yíng)養(yǎng)體系。這種獨(dú)特的進(jìn)化史使其光合系統(tǒng)，特別是作為光能捕獲與轉(zhuǎn)換核心的光系統(tǒng)I (PSI)可能演化出高度特化的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)多變環(huán)境。然而其精確的組裝與適應(yīng)機(jī)制長(zhǎng)期缺乏原子尺度的直接證據(jù)。

為填補(bǔ)這一空白，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心SM10組王玉梅、孫大鵬、博后毛志遠(yuǎn)與河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院田立榮團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了纖細(xì)裸藻（Euglena gracilis）光系統(tǒng)I-捕光天線（PSI-LHCE）超大復(fù)合體2.23??的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)顯示，裸藻PSI-LHCE超級(jí)復(fù)合體呈現(xiàn)出極高的組分異質(zhì)性與演化復(fù)雜性：其16個(gè)外周天線亞基并非同源重復(fù)，而是由12個(gè)Lhca蛋白與4種不同Lhcbm蛋白精密組裝而成。這種高度異質(zhì)的天線排布在已知光合系統(tǒng)中極為罕見(jiàn)，揭示了裸藻在復(fù)雜水體光環(huán)境中通過(guò)募集不同功能捕光蛋白以優(yōu)化光能捕獲的分子適應(yīng)策略。在色素組成上，該復(fù)合體表現(xiàn)出顯著的紅 綠嵌合特征：所有天線蛋白（12個(gè)僅結(jié)合葉綠素a的Lhca，1個(gè)僅結(jié)合葉綠素a的Lhcbm以及3個(gè)同時(shí)結(jié)合葉綠素a/b的Lhcbm）均結(jié)合了紅系藻類特征色素硅甲藻黃素（Ddx）；同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)在PSI核心中鑒定出4個(gè)Ddx分子，其精準(zhǔn)取代了綠系物種常見(jiàn)的β-胡蘿卜素位置，從原子層面印證了裸藻在演化中融合不同來(lái)源色素系統(tǒng)的“紅 綠嵌合”邏輯。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合體具有“小核心、大天線”的獨(dú)特組織模式，且其穩(wěn)定組裝主要依賴LHCE異二聚體之間通過(guò)跨膜螺旋“背靠背”排列與構(gòu)象變構(gòu)形成的緊密內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，表明天線 天線相互作用（而非僅依賴與核心的對(duì)接）是驅(qū)動(dòng)這一巨型超復(fù)合體形成的主導(dǎo)力量。

圖1 纖細(xì)裸藻PSI-LHCE超級(jí)復(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)

該成果于3月6日以“Structural basis of diadinoxanthin-Chl a/b-binding proteins in the photosystem I supercomplex of Euglena gracilis”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Science Advances雜志。本工作的冷凍電鏡數(shù)據(jù)在中國(guó)科學(xué)院物理研究所冷凍電鏡平臺(tái)完成采集。中國(guó)科學(xué)院物理研究所軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)SM10組王玉梅副研究員和河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院田立榮副教授為論文的共同通訊作者。河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生白天宇、中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士后毛志遠(yuǎn)和孫大鵬副研究員為論文共同第一作者。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院的資助。

編輯：LogicMoriaty