核心提示：2021年6月30日下午中国科学院植物研究所光生物学重点实验室于龙江和王文达研究员分别做客我校第148期和第149期“微生物学前沿论坛”并做了题为“紫色光合细菌核心复合物的结构与功能研究进展”和“硅藻的光合膜蛋白结构和光适应机制”的报告。
（通讯员 王棪 邓睿）6月30日下午，由mgm4858am美高梅集团端木德强教授主持的第148期和149期“微生物学前沿论坛”在第一综合楼A102举行，中国科学院植物研究所光生物学重点实验室于龙江和王文达研究员应邀参加并分别做了题为“紫色光合细菌核心复合物的结构与功能研究进展”和“硅藻的光合膜蛋白结构和光适应机制”的报告。
于龙江研究员首先介绍了光合细菌的研究史，并强调研究光合作用原初反应、光合作用的进化，对于植物起源以及多样性甚至于生命的起源都具有极其重要的意义。其中1988年诺贝尔化学奖颁发给紫色光合细菌光反应中心的晶体结构，这是世界上第一个膜蛋白晶体结构并开辟了光合膜蛋白结构与功能研究的新时代。2018年Nature在线发表了两篇文章分别报道了高分辨的反应中心和天线的超级复合体结构（LH1-RC），该研究再次将紫色光合细菌的LH1-RC晶体分辨率提高到1.9埃。此高分辨率晶体结构揭示了LH1-RC蛋白和多种辅因子更加清晰的精细结构，描述了反应中心结合外围天线的状态、反应中心与外周天线（16组α和β亚基对）的结合方式以及天线复合体中钙离子的准确位置和结合环境。由于金属离子的结合，导致LH1吸收的红移以及热稳定性的增强，为解释叶绿素的红移及蛋白质复合体的热稳定性提供了结构基础，为今后的人工光合作用的开发应用提供新思路。于龙江研究员表示今后会继续专注于极端光合细菌的研究，如温泉中的嗜热细菌、南极的嗜寒细菌和苏打湖中的嗜盐细菌。于龙江研究员精彩的报告引起了在座师生的热烈讨论，大家纷纷踊跃提问：紫色光合细菌的膜结构具体是怎样的球状结构，Ca2+是在球状结构的外部还是内部？LH1是重复的α和β亚基对结构吗，它们是怎样组装在一起的，具体的机制是什么？紫色光合细菌不生产氧气并生活在厌氧环境中，它能接收到的光强很弱，那么在强光厌氧环境下，紫色光合细菌是否会产生活性氧，并形成光保护机制？目前阶段的紫色光合细菌研究成果是否能够应用到植物或农作物中呢？针对这些问题于龙江研究员阐明了自己的独特见解。
随后王文达研究员做了题为“硅藻的光合膜蛋白结构和光适应机制”的报告。王文达研究员首先强调了光反应、光合膜蛋白的重要性，光合作用光反应是在光合膜上一系列具有特定空间排布和构象变化的色素蛋白复合体和电子传递体中进行的；对这些膜蛋白复合体结构的解析，有助于我们从光物理、光化学和生物学角度更加全面地认识光合作用。硅藻在海洋中有数万种，贡献了每年海洋40%、全球20%的原初生产力，硅藻的主要优势有：二氧化硅外壳、高效的碳同化能力、线粒体与叶绿体能量偶联。硅藻的捕光天线为FCP，含四聚体和单体，叶绿素a、叶绿素c和岩藻黄素，大量的叶绿素c和藻黄素等能捕获蓝绿光和绿光。三角褐指藻FCP二聚体的1.8埃分辨率晶体结构，描绘了叶绿素c和岩藻黄素在硅藻光合膜蛋白中的结合细节。2019年利用单颗粒冷冻电镜技术解析了一种中心纲硅藻的PSII-FCPII超级复合体的3.0埃分辨率的三维结构，该复合体由两个PSII-FCPII单体组成，每个单体有24个核心亚基和11个外围的FCP天线亚基；二聚体的总体分子量超过1.4MDa，包含230个叶绿素a分子、58个叶绿素c分子、146个类胡萝卜素分子、以及锰簇复合物等。硅藻的PSII-FCPII的反应中心与蓝藻和红藻相似，但是具有额外的两个核心亚基和一个特有的外周放氧亚基Psb31，且各外周FCP天线亚基排列方式与已知的绿藻和高等植物PSII-FCPII复合体明显不同。2020年利用单颗粒冷冻电镜技术解析了硅藻PSI-FCPI超级复合物2.38埃分辨率的三维结构，PSI核心分辨率高达2.2A，揭示了包括大量水分子在内的大量结构细节。PSI-FCPI的反应中心有12个亚基，周围结合24个FCPIs，是目前已解析的最大单体光系统-捕光天线超分子复合物。王文达研究员最后总结指出，破解硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能具有多重科学意义，包括：首次解析了硅藻光合膜蛋白结构、揭示了FCP单体、二聚体和四聚体的结合方式；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；揭示了硅藻光系统和捕光天线复合体高效捕获蓝绿光、高效传递和转化能量、猝灭激发能以及快速适应环境变化的新机制。王文达研究员精彩的报告引起了强烈反响，在座师生纷纷提问，如：可以纯培养硅藻吗，它能与植物形成内共生关系吗？硅藻的FCP蛋白是否比高等植物的捕光天线捕光效率更高？淡水中有硅藻吗，硅藻是不是都具有二氧化硅外壳，硅藻的叶绿体被膜结构更复杂，其TOC-TIC复合物的转运机制是否更复杂？衣藻中有FCP蛋白的存在吗，为什么硅藻在进化过程中丢失了藻胆体呢？微藻的捕光能力强，但是其瓶颈是下游CO2固定效率低，那么硅藻固定CO2的效率是多少？王文达研究员就这些问题一一解答。
【专家简介】
于龙江：中国科学院植物研究所光生物学重点实验室研究员，长期从事光合细菌中参与光合作用相关蛋白复合体的研究，利用生物物理、生物化学、分子生物学及光谱学等手段，在分子及原子水平上阐明生物大分子之间错综复杂的相互作用网络，取得了一系列具有创新新和国际影响的研究成果。
王文达：中国科学院植物研究所光生物学重点实验室研究员，主要从事光合作用光系统和捕光天线色素蛋白复合体的结构与功能研究，破解了硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能之谜，为阐明硅藻高效吸收蓝绿光、高效传递和转化光能以及光保护的机理奠定了坚实基础，被《科学》专刊评为光合作用捕光天线领域具有里程碑意义的工作，入选2019年度“中国科学十大进展”、“中国生命科学十大进展”和“中国十大科研进展新闻”。
审核人：端木德强
