【中国科学报】植物“霸道总裁”的生存秘密
2019/2/22 12:00:00丁佳 中国科学院植物研究所

     俗话说，人是铁，饭是钢，一顿不吃饿得慌。对绿色植物来说，最不可缺少的“粮食”就是阳光。

     光合作用是绿色植物、藻类和细菌等利用阳光进行的地球上规模最大、最为重要的化学反应。然而人类对于植物光合作用的秘密并未完全掌握。

     日前，由中科院院士匡廷云和研究员沈建仁带领的中国科学院植物研究所团队在《科学》杂志上以长文形式发表了一篇论文，首次解析了硅藻的主要捕光天线蛋白高分辨率结构，揭开了这种分布极其广泛的浮游植物在地球上长久“盛行”的光合奥秘。

     绿色植物竟不“吃”绿光

     约几十亿年前，第一批光合生物出现在地球上，逐渐适应了远古地球的恶劣环境。它们可以利用太阳能合成自身生长发育所必需的有机物，并释放出氧气，逐渐改造着地球环境。

     历经漫长的地质变迁和适应进化过程，光合生物重新塑造了地球表面和大气层成分，也演化出千姿百态的生命形态。其中，最为人所熟悉的就是陆地上各种各样的绿色植物。

     然而有违人们直觉的是，对绿色植物而言，光合作用主要吸收的是红光和蓝紫光，绿光却基本没有被它们利用。“这种现象与绿色植物吸收光的基本单位有关。”匡廷云说。

     在光合生物中，进行光吸收的功能单位被称作光系统。其中绿色植物的光系统外围有一种叫作捕光天线复合物的结构，主要吸收的就是红光和蓝紫光，而绿光波段的能量基本没被绿色植物所利用——这也是它们呈现绿色的主要原因。

    

     绿色植物叶绿体色素吸收光谱(图片引自网络)

     那么，自然界中到底有没有能够利用绿光的光合生物呢？科学家将目光投向了广阔的海洋。2014年，荷兰学者总结了近几十年来捕光天线蛋白的研究进展，指出光合生物丰富多样的捕光天线蛋白能够结合大量色素，并可以在很宽的光波段下收集太阳能。

     比如，海洋藻类就拥有色彩斑斓的捕光蛋白，比如蓝藻的藻蓝蛋白、红藻的藻红蛋白、硅藻的岩藻黄素叶绿素蛋白等，它们可以帮助海藻在不同的海水深度，利用不同波段的太阳光能，特别是结合了大量叶绿素c和岩藻黄素的硅藻，更是其中杰出的代表。

     植物里的“隐形冠军”

     硅藻是一类细胞外覆硅质细胞壁的单细胞浮游光合自养生物，属于不等鞭毛类生物类群，目前发现的硅藻至少有数万种。

     “在现代海洋中，硅藻可以说是最‘成功’的浮游光合生物之一。”沈建仁说。硅藻具有很强的适应能力，是海洋赤潮的主要类群之一，在海洋中从赤道到两极都有分布，甚至在淡水乃至土壤、空气中都可以生活。另一方面，硅藻在光合作用方面存在着极大优势。有研究表明，硅藻贡献了地球上每年约20%的原初生产力，即其吸收二氧化碳的能力占全球生态系统的1/5左右，比热带雨林的贡献还要高，在地球的元素循环和气候变化中发挥了重要作用。

    

     硅藻的细胞结构和叶绿体形态。a:中心纲硅藻(中心对称的硅质细胞壁), b:羽纹纲硅藻(两侧对称的硅质细胞壁)，c：三角褐指藻 (Phaeodactylumtricornutum) 细胞中紧凑的细胞核(靛蓝色)、线粒体(红色)和叶绿体(绿色)排布，d：南极海冰中的硅藻Fargilariopsis cylindrus。

     这让科学家十分好奇：看起来并不起眼的小小硅藻，为何会活得如此“成功”呢？此前的研究已经证明，硅藻特有的捕光天线蛋白“岩藻黄素—叶绿素a/c蛋白复合体”(FCP)具有出色的蓝绿光捕获能力和极强的光保护能力，这是其能够在海洋中繁盛的重要原因之一。

     然而，硅藻光合膜蛋白的结构长期没有得到解析，极大限制了硅藻光合作用的研究。匡廷云和沈建仁团队一直致力于高等植物和藻类光合膜蛋白的结构和功能研究，他们决定联手揭开这一未解之谜。

     特立独行的“捕光天线”

     在过去几十年中，学术界主流观点认为，硅藻FCP的形成，类似于高等植物。但匡廷云和沈建仁等人发现，高等植物和绿藻的模型无法完全解释硅藻FCP蛋白中的色素结合、能量捕获传递和光保护机制等过程。

     “我们开始觉得，这个问题仍然需要通过结构研究获得新的实验模型来解答。”匡廷云说。

     凭借样品纯化优势和制备高分辨率晶体的经验，研究人员很快获得了非常规则的硅藻FCP晶体，但由于FCP蛋白结合了与蛋白多肽分子量相近的大量色素，则极大增加了解析其晶体结构的难度。此后，研究人员通过多种手段，采集了高精度的数据，终于解析了一种羽纹纲硅藻——三角褐指藻FCP二聚体的精细晶体结构。

     该研究是硅藻的第一个光合膜蛋白结构解析研究工作，它首次描绘了叶绿素c和岩藻黄素在光合膜蛋白中的结合细节，阐明了叶绿素和岩藻黄素在FCP复合体中的空间排布，揭示了叶绿素c和岩藻黄素捕获蓝绿光并高效传递能量的结构基础；首次揭示了FCP二聚体的结合方式，对几十年来硅藻主要捕光天线蛋白聚合状态研究提供了第一个明确的实验证据。这一高分辨率FCP结构模型为研究硅藻的光能捕获、利用和光保护机制提供了重要的结构基础。

    

     三角褐指藻类囊体膜上的FCP二聚体晶体结构。a和b：FCP蛋白晶体；蛋白中的叶绿素a(绿色)，叶绿素c(洋红色)和岩藻黄素分子结构分别以棍状图显示。

     《科学》杂志审稿人评论称，在绿色植物的捕光天线复合物中，硅藻的FCP是相当“特立独行”的，具有一些不同寻常的特性。“硅藻对生态环境十分重要，其捕光天线复合物又与其他已知的绿色植物有着显著不同，所以，此次获得的蛋白结构是十分有趣的。”

     该结果为指导设计新型作物、提高植物的捕光和光保护能力提供了新思路和新策略。研究者希望，今后科学家基于该成果，设计能够利用绿光波段、具有高效捕光和光保护能力的新型作物，为现代化智能植物工厂的发展提供新的方向。

     (原载于《中国科学报》 2019-02-12 第1版 要闻)

    

    

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