解析綠藻光合狀態轉換超分子復合體的三維結構

　　光合作用作為重要的物質和能量轉化過程，是地球上幾乎所有生命賴以生存和發展的基礎。光合作用狀態轉換是光合膜在光環境變化條件下調節激發能在光系統I（PSI）和光系統II（PSII）間均衡分配的一種快速適應機制，通過PSII主要捕光天線（LHCII）在PSII和PSI之間的遷移和可逆結合，改變兩個光系統的捕光截面大小，進而實現激發能均衡分配。探索光合作用狀態轉換機制對理解光合膜動態調控具有理論和實踐意義。

　　綠藻生長在光強不斷變化的水環境條件下，具有較強的狀態轉換功能。目前，在原子、分子水平上揭示綠藻狀態轉換超分子復合體的精確結構及組裝機制存在挑戰。中國科學院植物研究所光合膜蛋白結構生物學研究團隊與浙江大學教授張興團隊合作，首次解析了綠藻（萊茵衣藻，Chlamydomonas reinhardtii）光合作用狀態轉換超分子色素蛋白復合體的冷凍電鏡三維結構（3.42埃），揭示了復合體中蛋白亞基的組成、捕光天線的結構特點、色素分布及其能量捕獲、傳遞和光保護的途徑。研究發現，該蛋白復合體是由1個光系統I核心-捕光天線I復合體（PSI-LHCI）結合2個PSII主要捕光天線復合體（LHCII）而形成的PSI-LHCI-LHCII超分子復合體，每個超分子復合體含有29個蛋白亞基、332個葉綠素分子、83個類胡蘿卜素分子、3個鐵硫簇和大量脂分子。研究首次觀察到綠藻PSI核心亞基PsaO和完整的PsaH與PsaL亞基及與它們結合的色素分子。兩個LHCII三聚體相互靠近并位于PsaO-PsaL-PsaH-Lhca2一側，其中，LHCII-1通過N末端磷酸化位點與PsaO、PsaH和PsaL亞基相互作用，LHCII-2通過與Lhca2和LHCII-1相互作用與超分子復合體結合。基于超分子復合體的結構特點及色素分子的排列情況，研究人員發現了多條光能捕獲、傳遞及光保護途徑，這可能有助于綠藻在水中光強變化較快的條件下高效地進行狀態轉換，這對認識綠藻光合膜動態組裝和對光環境適應的分子機制具有重要意義。

　　相關研究成果于2月17日在線發表在Nature Communications上。浙江大學博士研究生黃子惠、植物所博士研究生沈亮亮為論文的共同第一作者，張興和植物所副研究員韓廣業為論文的共同通訊作者。中科院院士、植物所研究員匡廷云和植物所研究員王文達等參與了該研究。研究工作得到國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項、中央高校校長專項等的資助，獲得植物所公共技術服務中心的技術支持。

萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）光系統I-捕光天線I-捕光天線II（PSI-LHCI-LHCII）超分子復合體結構：（a，b）PSI-LHCI-LHCII超分子復合體結構基質側俯視圖與沿膜平面觀察圖；（c）PSI-LHCI-LHCII超分子復合體中LHCII亞基與PSI核心復合體結合的磷酸化位點