【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】11月25日，學(xué)術(shù)期刊《自然-植物》(Nature Plants)在線發(fā)表了題為Structural insight into light harvesting for photosystem II in green algae 的論文，該項工作由中國科學(xué)院生物物理研究所柳振峰課題組和日本國立基礎(chǔ)生物學(xué)研究所Jun Minagawa課題組合作完成。
藻類對于地球生物圈而言具有不可替代的重要作用，它們通過放氧型光合作用為生物圈貢獻(xiàn)了約一半的原初有機物和氧氣。綠藻是自然界中常見的一類放氧型光合生物，廣泛分布在土壤和水體中。作為一種單細(xì)胞的綠藻，萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)是用于研究光合作用的重要模式物種，并且還被用作為生產(chǎn)生物燃料和藥物等高價值化合物的生物技術(shù)平臺，具有基礎(chǔ)研究和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用兩方面的價值。光系統(tǒng)II(PSII)是藻類和植物等進(jìn)行放氧光合作用所必需的超分子機器，它可吸收外界光能并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，進(jìn)而催化水分子的裂解產(chǎn)生氧氣和質(zhì)子。由于PSII核心復(fù)合物本身的捕光能力有限，需要通過其外周的主要捕光復(fù)合物II(LHCII)來提高捕獲光能的能力。衣藻PSII核心復(fù)合物的外周能結(jié)合不同數(shù)量的LHCII，二者裝配成不同形式的PSII-LHCII超級復(fù)合物，包括C2S2和C2S2M2L2兩個主要類型。C2S2M2L2型復(fù)合物是目前為止在藻類和植物中發(fā)現(xiàn)的大的PSII-LHCII超級復(fù)合物。解析衣藻PSII-LHCII復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)有助于揭示綠藻捕光復(fù)合物L(fēng)HCII捕獲光能并向PSII反應(yīng)中心傳遞激發(fā)能的途徑和調(diào)控機理。
該項工作報道了衣藻來源的C2S2和C2S2M2L2型復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(分辨率分別為2.7和3.4 埃)，并發(fā)現(xiàn)了二者的裝配原理和能量傳遞途徑。研究發(fā)現(xiàn)衣藻C2S2型復(fù)合物中的強結(jié)合型LHCII(S-LHCII)三聚體是由LhcbM1、LhcbM2和LhcbM3三個不同亞基組成，其中LhcM1與PSII核心天線CP43之間的裝配由兩個特殊的脂類分子(雙乳糖苷基二脂酰基甘油/DGDG)介導(dǎo)。C2S2M2L2型復(fù)合物是在C2S2復(fù)合物的裝配基礎(chǔ)上，在兩側(cè)結(jié)合了一對中等結(jié)合型的LHCII三體(M-LHCII)和一對松散結(jié)合型的LHCII三體(L-LHCII)。基于對C2S2M2L2型復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)的分析，研究結(jié)果揭示了L-LHCII與相鄰的兩個捕光天線(CP29和M-LHCII)之間的相互作用和裝配機制。次要捕光天線CP29和CP26中的N-末端和C-末端等多個區(qū)域存在綠藻所特有的序列和結(jié)構(gòu)(在陸生植物中不存在)。衣藻CP29中的特征區(qū)段起到銜接L-LHCII與M-LHCII的重要作用，幫助穩(wěn)定三者之間的裝配，而CP26中的特征區(qū)段則起到加強其與S-LHCII連接的作用。通過對衣藻C2S2和C2S2M2L2型復(fù)合物中的葉綠素網(wǎng)絡(luò)中兩兩相鄰色素分子之間的相互關(guān)系進(jìn)行定量分析，揭示了多條從L-LHCII傳遞至PSII反應(yīng)中心的能量傳遞途徑。該系列研究結(jié)果有助于理解綠藻在水體和土壤等弱光環(huán)境下實現(xiàn)捕光的分子基礎(chǔ)和在光照條件發(fā)生變化時動態(tài)調(diào)節(jié)捕光效率的機理。
這項工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和前沿科學(xué)重點研究計劃的資助和支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)的收集是在生物物理所成像中心平臺完成，并得到生物大分子國家重點實驗室Talos Arctica電鏡機時的支持，在數(shù)據(jù)收集過程中得到了平臺工作人員的幫助和大力支持。柳振峰課題組的盛鑫和李安節(jié)，Minagawa課題組的Akimasa Watanabe和Eunchul Kim等參與該項工作的完成，柳振峰和Jun Minagawa是該論文的共同通訊作者。
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