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山東大學(xué)張玉忠教授團(tuán)隊(duì)在定鞭藻光系統(tǒng)I超復(fù)合物結(jié)構(gòu)、功能及進(jìn)化方面取得新進(jìn)展

來(lái)源：山東大學(xué)      2024-12-20
導(dǎo)讀：山東大學(xué)微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張玉忠教授團(tuán)隊(duì)在Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States Of America(PNAS)雜志在線發(fā)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(guó)利物浦大學(xué)劉魯寧教授、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高軍教授和山東大學(xué)趙龍生研究員為該論文的共同通訊作者。山東大學(xué)博士生何飛宇、碩士生曲芯霄為并列第一作者，山東大學(xué)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(yǎng)分，在維持大氣中的碳氧平衡方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。光系統(tǒng)I（photosystem I, PSI）是光化學(xué)反應(yīng)中關(guān)鍵的組成部分。迄今為止，多種紅色譜系的PSI–LHCI結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的差異揭示了它們?cè)诩t色譜系質(zhì)體進(jìn)化和生理適應(yīng)中的特定位置，但定鞭藻PSI–LHCI的精確結(jié)構(gòu)尚不清楚。

定鞭藻門的藻類是重要的單細(xì)胞海洋浮游植物，在海洋生態(tài)系統(tǒng)和全球生化平衡中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并被認(rèn)為是最古老的真核光自養(yǎng)生物類群之一，對(duì)于理解光合浮游植物進(jìn)化具有重要意義。本研究通過(guò)冷凍電鏡單顆粒分析技術(shù)解析了定鞭藻Isochrysis galbana光系統(tǒng)I–捕光復(fù)合物I（PSI–iFCPI）超復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（圖1）。定鞭藻PSI核心包含12個(gè)亞基，相較于紅藻和隱藻丟失了PsaO，同時(shí)含有硅藻和甲藻缺失的PsaK。22個(gè)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(fù)合物的整體結(jié)構(gòu)
模擬計(jì)算得出的激發(fā)能傳遞速率表明，PSI–iFCPI內(nèi)復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)能夠確保激發(fā)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(fù)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(zhì)體編碼的PSI核心亞基來(lái)自隱藻，而核編碼的iFCPIs則來(lái)源于硅藻（圖3）。
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圖3 紅色譜系PSI–LHCI超復(fù)合物可能的進(jìn)化發(fā)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(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，還為深入理解紅色譜系藻類PSI–LHCIs結(jié)構(gòu)的進(jìn)化多樣性提供了依據(jù)。
張玉忠教授研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事藻類光合作用的研究，成果發(fā)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(fā)表的研究成果是該團(tuán)隊(duì)藻類光合作用研究中的又一個(gè)新進(jìn)展。
該論文由山東大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、英國(guó)利物浦大學(xué)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)相關(guān)學(xué)者合作完成，該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。


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