甲藻捕光天线和光系统的结构与捕光机制研究中获进展

甲藻是海洋生态系统中重要的真核浮游植物类群之一。甲藻是初级生产力主要贡献者，也是引发有害赤潮及产生海洋毒素的主要类群。虫黄藻等甲藻与珊瑚虫互惠共生，在维持珊瑚礁生态平衡过程中起到重要作用。甲藻进化出不同于其他藻类和植物的光系统与捕光天线，并结合类似硅藻类群中的叶绿素c和多甲藻黄素等类胡萝卜素以更好地适应复杂变化的海洋光环境，但此前缺乏关于甲藻光系统和捕光天线的研究。因此，探讨甲藻捕光天线和光系统的结构与捕光机制，对揭示海洋甲藻的光能利用及光适应机制具有重要的生态价值和科学意义。

中国科学院植物研究所光合膜蛋白结构生物学研究组利用生理生化和单颗粒冷冻电镜技术，探究了赤潮甲藻-强壮前沟藻和共生甲藻-虫黄藻的3个光系统I（PSI）-叶绿素（Chls）a/c-多甲藻素捕光天线（PSI-AcpPCI）超级复合物的结构特征和捕光机制，发现了甲藻PSI-AcpPCI超复合物在亚基组成、蛋白二级结构、色素排布方面的独特性。与其他真核光合生物相比，两种甲藻的PSI核心PsaA/B亚基明显变小，缺少20多个色素结合位点；而其他PsaD/F/I/J/L/M/R等亚基扩大，并发展出一些新的色素位点，部分弥补了PsaA/B亚基在结构与色素上的变化。

这些变化可能是甲藻进化过程中经历的多次内共生和叶绿体基因组变化所致。甲藻的捕光天线蛋白AcpPCI为适应PSI核心亚基结构的变化而产生了一些新的loop结构和色素位点，保证了充分的光能捕获和顺畅传能，并进一步形成了与其他光合生物不同的蛋白组装模式和能量传递网络。上述成果为剖析海洋赤潮甲藻和共生甲藻的光适应机制提供了重要结构并奠定了功能基础，为探索持续演化的光合生物以及人工设计新的自养生物底盘提供了重要线索。

相关研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。

甲藻光系统I 核心亚基的组装模式及其重要亚基的结构演化。灰色显示PSI核心蛋白的保守二级结构，彩色表明甲藻进化出新的蛋白片段。