核心提示：2021年6月30日下午中國科學(xué)院植物研究所光生物學(xué)重點實驗室于龍江和王文達研究員分別做客我校第148期和第149期“微生物學(xué)前沿論壇”并做了題為“紫色光合細菌核心復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能研究進展”和“硅藻的光合膜蛋白結(jié)構(gòu)和光適應(yīng)機制”的報告。
（通訊員 王棪 鄧睿）6月30日下午，由生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院端木德強教授主持的第148期和149期“微生物學(xué)前沿論壇”在第一綜合樓A102舉行，中國科學(xué)院植物研究所光生物學(xué)重點實驗室于龍江和王文達研究員應(yīng)邀參加并分別做了題為“紫色光合細菌核心復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能研究進展”和“硅藻的光合膜蛋白結(jié)構(gòu)和光適應(yīng)機制”的報告。
于龍江研究員首先介紹了光合細菌的研究史，并強調(diào)研究光合作用原初反應(yīng)、光合作用的進化，對于植物起源以及多樣性甚至于生命的起源都具有極其重要的意義。其中1988年諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給紫色光合細菌光反應(yīng)中心的晶體結(jié)構(gòu)，這是世界上第一個膜蛋白晶體結(jié)構(gòu)并開辟了光合膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究的新時代。2018年Nature在線發(fā)表了兩篇文章分別報道了高分辨的反應(yīng)中心和天線的超級復(fù)合體結(jié)構(gòu)（LH1-RC），該研究再次將紫色光合細菌的LH1-RC晶體分辨率提高到1.9埃。此高分辨率晶體結(jié)構(gòu)揭示了LH1-RC蛋白和多種輔因子更加清晰的精細結(jié)構(gòu)，描述了反應(yīng)中心結(jié)合外圍天線的狀態(tài)、反應(yīng)中心與外周天線（16組α和β亞基對）的結(jié)合方式以及天線復(fù)合體中鈣離子的準確位置和結(jié)合環(huán)境。由于金屬離子的結(jié)合，導(dǎo)致LH1吸收的紅移以及熱穩(wěn)定性的增強，為解釋葉綠素的紅移及蛋白質(zhì)復(fù)合體的熱穩(wěn)定性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為今后的人工光合作用的開發(fā)應(yīng)用提供新思路。于龍江研究員表示今后會繼續(xù)專注于極端光合細菌的研究，如溫泉中的嗜熱細菌、南極的嗜寒細菌和蘇打湖中的嗜鹽細菌。于龍江研究員精彩的報告引起了在座師生的熱烈討論，大家紛紛踴躍提問：紫色光合細菌的膜結(jié)構(gòu)具體是怎樣的球狀結(jié)構(gòu)，Ca2+是在球狀結(jié)構(gòu)的外部還是內(nèi)部？LH1是重復(fù)的α和β亞基對結(jié)構(gòu)嗎，它們是怎樣組裝在一起的，具體的機制是什么？紫色光合細菌不生產(chǎn)氧氣并生活在厭氧環(huán)境中，它能接收到的光強很弱，那么在強光厭氧環(huán)境下，紫色光合細菌是否會產(chǎn)生活性氧，并形成光保護機制？目前階段的紫色光合細菌研究成果是否能夠應(yīng)用到植物或農(nóng)作物中呢？針對這些問題于龍江研究員闡明了自己的獨特見解。
隨后王文達研究員做了題為“硅藻的光合膜蛋白結(jié)構(gòu)和光適應(yīng)機制”的報告。王文達研究員首先強調(diào)了光反應(yīng)、光合膜蛋白的重要性，光合作用光反應(yīng)是在光合膜上一系列具有特定空間排布和構(gòu)象變化的色素蛋白復(fù)合體和電子傳遞體中進行的；對這些膜蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)的解析，有助于我們從光物理、光化學(xué)和生物學(xué)角度更加全面地認識光合作用。硅藻在海洋中有數(shù)萬種，貢獻了每年海洋40%、全球20%的原初生產(chǎn)力，硅藻的主要優(yōu)勢有：二氧化硅外殼、高效的碳同化能力、線粒體與葉綠體能量偶聯(lián)。硅藻的捕光天線為FCP，含四聚體和單體，葉綠素a、葉綠素c和巖藻黃素，大量的葉綠素c和藻黃素等能捕獲藍綠光和綠光。三角褐指藻FCP二聚體的1.8埃分辨率晶體結(jié)構(gòu)，描繪了葉綠素c和巖藻黃素在硅藻光合膜蛋白中的結(jié)合細節(jié)。2019年利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了一種中心綱硅藻的PSII-FCPII超級復(fù)合體的3.0埃分辨率的三維結(jié)構(gòu)，該復(fù)合體由兩個PSII-FCPII單體組成，每個單體有24個核心亞基和11個外圍的FCP天線亞基；二聚體的總體分子量超過1.4MDa，包含230個葉綠素a分子、58個葉綠素c分子、146個類胡蘿卜素分子、以及錳簇復(fù)合物等。硅藻的PSII-FCPII的反應(yīng)中心與藍藻和紅藻相似，但是具有額外的兩個核心亞基和一個特有的外周放氧亞基Psb31，且各外周FCP天線亞基排列方式與已知的綠藻和高等植物PSII-FCPII復(fù)合體明顯不同。2020年利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了硅藻PSI-FCPI超級復(fù)合物2.38埃分辨率的三維結(jié)構(gòu)，PSI核心分辨率高達2.2A，揭示了包括大量水分子在內(nèi)的大量結(jié)構(gòu)細節(jié)。PSI-FCPI的反應(yīng)中心有12個亞基，周圍結(jié)合24個FCPIs，是目前已解析的最大單體光系統(tǒng)-捕光天線超分子復(fù)合物。王文達研究員最后總結(jié)指出，破解硅藻光合膜蛋白超分子結(jié)構(gòu)和功能具有多重科學(xué)意義，包括：首次解析了硅藻光合膜蛋白結(jié)構(gòu)、揭示了FCP單體、二聚體和四聚體的結(jié)合方式；描繪了葉綠素c和巖藻黃素在光合膜蛋白中的結(jié)合細節(jié)，闡明了葉綠素和巖藻黃素在FCP復(fù)合體中的空間排布；揭示了硅藻光系統(tǒng)和捕光天線復(fù)合體高效捕獲藍綠光、高效傳遞和轉(zhuǎn)化能量、猝滅激發(fā)能以及快速適應(yīng)環(huán)境變化的新機制。王文達研究員精彩的報告引起了強烈反響，在座師生紛紛提問，如：可以純培養(yǎng)硅藻嗎，它能與植物形成內(nèi)共生關(guān)系嗎？硅藻的FCP蛋白是否比高等植物的捕光天線捕光效率更高？淡水中有硅藻嗎，硅藻是不是都具有二氧化硅外殼，硅藻的葉綠體被膜結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其TOC-TIC復(fù)合物的轉(zhuǎn)運機制是否更復(fù)雜？衣藻中有FCP蛋白的存在嗎，為什么硅藻在進化過程中丟失了藻膽體呢？微藻的捕光能力強，但是其瓶頸是下游CO2固定效率低，那么硅藻固定CO2的效率是多少？王文達研究員就這些問題一一解答。
【專家簡介】
于龍江：中國科學(xué)院植物研究所光生物學(xué)重點實驗室研究員，長期從事光合細菌中參與光合作用相關(guān)蛋白復(fù)合體的研究，利用生物物理、生物化學(xué)、分子生物學(xué)及光譜學(xué)等手段，在分子及原子水平上闡明生物大分子之間錯綜復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，取得了一系列具有創(chuàng)新新和國際影響的研究成果。
王文達：中國科學(xué)院植物研究所光生物學(xué)重點實驗室研究員，主要從事光合作用光系統(tǒng)和捕光天線色素蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能研究，破解了硅藻光合膜蛋白超分子結(jié)構(gòu)和功能之謎，為闡明硅藻高效吸收藍綠光、高效傳遞和轉(zhuǎn)化光能以及光保護的機理奠定了堅實基礎(chǔ)，被《科學(xué)》專刊評為光合作用捕光天線領(lǐng)域具有里程碑意義的工作，入選2019年度“中國科學(xué)十大進展”、“中國生命科學(xué)十大進展”和“中國十大科研進展新聞”。
審核人：端木德強
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