責編 | 王一

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，是透過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於理解光合膜動態調控具有重要的理論和實踐意義。

綠藻生長在光強不斷變化的水環境條件下，具有很強的狀態轉換功能。目前，在原子、分子水平上揭示綠藻狀態轉換超分子複合體的精確結構及組裝機制存在巨大挑戰。2月17日，中科院植物所光合膜蛋白結構生物學研究團隊與浙江大學張興研究團隊合作在Nature Communications發表了題為Structure of photosystem I-LHCI-LHCII from the green alga Chlamydomonas reinhardtii in State 2的研究論文，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複合體的冷凍電鏡三維結構（3.42埃），揭示了複合體中蛋白亞基的組成、捕光天線的結構特點、色素分佈及其能量捕獲、傳遞和光保護的途徑。

研究發現，該蛋白複合體是由1個光系統I核心-捕光天線I複合體（PSI-LHCI）結合2個PSII主要捕光天線複合體（LHCII）而形成的PSI-LHCI-LHCII超分子複合體，每個超分子複合體含有29個蛋白亞基、332個葉綠素分子、83個類胡蘿蔔素分子、3個鐵硫簇和大量的脂分子。該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三聚體相互靠近並位於PsaO-PsaL-PsaH-Lhca2一側，其中LHCII-1透過N末端磷酸化位點與PsaO、PsaH和PsaL亞基相互作用，而LHCII-2透過與Lhca2和LHCII-1相互作用與超分子複合體結合。

基於超分子複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，這可能有助於綠藻在水中光強變化較快的條件下高效地進行狀態轉換。這對於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。

萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）光系統I-捕光天線I-捕光天線II（PSI-LHCI-LHCII）超分子複合體結構：（a, b）PSI-LHCI-LHCII超分子複合體結構基質側俯檢視與沿膜平面觀察圖；（c）PSI-LHCI-LHCII超分子複合體中LHCII亞基與PSI核心複合體結合的磷酸化位點。

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共同第一作者，植物所副研究員韓廣業、浙江大學教授張興為共同通訊作者。中科院院士、植物所研究員匡廷雲與研究員王文達等參與了該研究。該研究工作得到了國家重點研發計劃、中科院先導專項以及中央高校校長專項等專案資助，並得到中科院植物所公共技術服務中心技術支援。

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-21362-6