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山東大學張玉忠教授團隊在定鞭藻光系統I超復合物結構、功能及進化方面取得新進展

來源：山東大學      2024-12-20
導讀：山東大學微生物技術國家重點實驗室張玉忠教授團隊在Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States Of America(PNAS)雜志在線發表了題為"Structural insights into the assembly and energy transfer of haptophyte photosystem I-light-harvesting supercomplex"的研究論文。張玉忠教授、英國利物浦大學劉魯寧教授、華中農業大學高軍教授和山東大學趙龍生研究員為該論文的共同通訊作者。山東大學博士生何飛宇、碩士生曲芯霄為并列第一作者，山東大學為第一作者單位和通訊作者單位。
光合作用為幾乎所有生命形式提供必需的食物和養分，在維持大氣中的碳氧平衡方面發揮至關重要的作用。光系統I（photosystem I, PSI）是光化學反應中關鍵的組成部分。迄今為止，多種紅色譜系的PSI–LHCI結構已被解析，其中包括紅藻PSI–LHCR、隱藻PSI–ACPI、硅藻PSI–FCPI和甲藻PSI–AcpPCI。這些PSI–LHCIs結構的差異揭示了它們在紅色譜系質體進化和生理適應中的特定位置，但定鞭藻PSI–LHCI的精確結構尚不清楚。

定鞭藻門的藻類是重要的單細胞海洋浮游植物，在海洋生態系統和全球生化平衡中發揮著至關重要的作用，并被認為是最古老的真核光自養生物類群之一，對于理解光合浮游植物進化具有重要意義。本研究通過冷凍電鏡單顆粒分析技術解析了定鞭藻Isochrysis galbana光系統I–捕光復合物I（PSI–iFCPI）超復合體的結構（圖1）。定鞭藻PSI核心包含12個亞基，相較于紅藻和隱藻丟失了PsaO，同時含有硅藻和甲藻缺失的PsaK。22個捕光天線亞基（iFCPIs）圍繞PSI核心呈三層排列。
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圖1 定鞭藻PSI–iFCPI超復合物的整體結構
模擬計算得出的激發能傳遞速率表明，PSI–iFCPI內復雜的色素網絡能夠確保激發能的高效傳遞（圖2）。定鞭藻iFCPIs與隱藻ACPIs和硅藻FCPIs相比含有更多的Chls c，其中一些額外的Chls c有助于iFCPIs之間的能量傳遞。
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圖2 定鞭藻PSI–iFCPI超復合物的能量傳遞路徑
定鞭藻的PSI核心和iFCPIs可能具有不同的起源。質體編碼的PSI核心亞基來自隱藻，而核編碼的iFCPIs則來源于硅藻（圖3）。
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圖3 紅色譜系PSI–LHCI超復合物可能的進化發展
該研究不僅為揭示了定鞭藻PSI–iFCPI的光捕獲和能量傳遞機制提供了結構基礎，還為深入理解紅色譜系藻類PSI–LHCIs結構的進化多樣性提供了依據。
張玉忠教授研究團隊長期從事藻類光合作用的研究，成果發表在Nature Plants（2020, 6: 869）、Nature Communications（2024,15:2392; 2024, 15:4999）、The Plant Cell (2023, 35: 2449）、Plant Physiology（2022, 190: 1883）上。本次在PNAS上發表的研究成果是該團隊藻類光合作用研究中的又一個新進展。
該論文由山東大學、中國海洋大學、英國利物浦大學和華中農業大學相關學者合作完成，該研究得到了國家自然科學基金重點項目、科技部重點研發計劃等項目的資助。


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