我科学家破解颗石藻高效利用光能的奥秘

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  本报北京9月15日电（记者齐芳）颗石藻是海洋中的主要浮游植物之一，其光复合系统能够高效捕获和利用光能。中国科学院植物研究所研究员王文达和田利金带领团队，首次在原子层面揭示了颗石藻通过扩展和优化其光系统结构来适应海洋光环境的独特策略，是光合生物适应进化研究中的一个重大发现。相关研究成果日前以封面论文形式发表在国际学术期刊《科学》上。

  王文达介绍，颗石藻在海洋碳沉积和全球碳循环中扮演重要角色，其细胞壁是由碳酸钙晶体组成的颗石片，能够适应海水不同深度的多变光环境，以高效的光合自养生长快速繁殖。但颗石藻光系统复合物如何能高效捕获和利用光能的微观机理并不清楚，进化机制也未见报道。

  王文达说：“研究团队首次纯化并解析了来自赫氏艾米里颗石藻的光系统I-岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白（PSI-FCPI）超级复合物三维结构。”这个超级复合物是一个巨大的光合膜蛋白机器，由51个蛋白亚基和819个色素分子组成，分子量高达1.66兆道尔顿。

  那么，究竟是什么让颗石藻成为利用光能量的佼佼者？据介绍，颗石藻PSI核心周围环绕着38个FCPI捕光天线，并以模块化的方式排列成8个放射状排布的捕光天线条带。这种“旋涡”围绕PSI核心的巨型捕光天线，依靠大量新型捕光天线的精密装配，极大地扩展了捕光面积。研究团队还鉴定到丰富的叶绿素c和岩藻黄素类型的类胡萝卜素，这些色素在新发现的捕光天线中含量极高，使其能有效地吸收深水区波长在460~540纳米间的蓝绿光和绿光。此外，大量叶绿素c与叶绿素a形成紧密的能量耦联并消除能量陷阱，构成平坦畅通的能量传递网络——这可能是其保持超高量子转化效率的关键。

  这一研究成果为理解光合生物高效的能量转化机制提供了新的结构模型。王文达表示，未来，希望以此为基础设计新型光合作用蛋白，并进一步指导人工模拟和开发高碳汇生物资源，“这在合成生物学和气候变化应对领域都具有巨大潜力”。