破解百年难题！西湖大学最新Science

海洋和陆地光合作用在辅助叶绿素（Chl）中表现出分裂，补充了Chla的功能：绿色植物的Chlb与大多数真核浮游植物的Chlc。长期以来，介导Chlc生物合成的酶一直难以捉摸。

2023年10月5日，西湖大学李小波团队在Science在线发表题为“A chlorophyll c synthase widely co-opted by phytoplankton”的研究论文，该研究确定了海洋硅藻 Phaeodactylum tricornutum中的CHLC 二氧合酶（Phatr3_J43737）为Chlc合成酶。

chlc突变体缺乏Chlc，而是积累其前体，并表现出生长缺陷。在体外，重组CHLC蛋白将这些前体转化为Chlc，从而证实了其身份。系统发育证据表明，CHLC在各门中的使用是一致的，但在不同藻类中也存在不同的Chlc合成酶。该研究解决了一个长期悬而未决的问题，对当代和远古海洋光合作用都有影响。

光合作用已经并将继续塑造景观、海洋和大气。来自陆地和水生环境的光合生物在光捕获系统上有所不同。在陆地植物和某些蓝藻中，叶绿素（Chl）b用于补充通常含有的Chla的吸收光谱；相比之下，许多真核藻类群尽管在形态学和系统发育上具有多样性，但一直采用Chlc作为辅助叶绿素。早在1864年就报道了Chlc作为第三种叶绿素的存在。然而，其生物合成机制知之甚少。与蓝藻Chlf相反，蓝藻Chl f的合成酶在其发现后不久被鉴定。

在系统发育上，含Chlc的藻类及其一些非光合亲缘种被称为CASH谱系（其中CASH代表隐生植物，肺泡，层状体和结合体）。其中，隐生植物明显具有四个基因组区室；许多甲藻（肺泡）引起有毒的红潮或作为珊瑚中的内共生体;硅藻（层状堆）占全球初级生产力的20%；褐藻（也包括褐藻）构成了海带森林，作为海洋生物的栖息地；和球藻（触体）将空气中的二氧化碳沉淀到岩石中。因此，Chlc在当代海洋光合作用和全球生物地球化学中具有重要意义。然而，目前对Chlc生物合成的理解不足，因此，缺乏在Chlc积累中具有主要缺陷的突变体，阻碍了人们对Chlc功能的直接表征。

Chlc生物合成关键步骤概述（图源自Science）

Chlc生物合成的阐明也与理解水生光养生物的进化高度相关。所有含Chlc的藻类都含有红藻（真核）起源的质体；然而，它们是否从单个红藻吞噬事件中获得质体或连续获得质体一直存在争议。鉴定参与Chlc生物合成的酶，这些藻类共有但缺乏红藻的色素，将揭示这些带有红色质体的藻类的进化历史。硅藻遗传学工具箱的最新进展为研究Chlc生物合成提供了机会。

该研究对广泛保守的CHLC酶的发现解决了光合作用中一个主要的悬而未决的问题。作者证明了CHLC是一种2OG依赖性双加氧酶，可从常见的叶绿素生物合成中间体合成Chlc。该研究发现的Chlc合酶将促进合成生物学进程，在其他光养生物中合成这种色素，以提高其光捕获能力。

西湖大学博士生蒋彦酉与助理研究员曹天骏为本文的共同第一作者；副研究员张欢、博士生杨雨青、博士生张静宇参与了本项研究；特聘研究员李小波为本文通讯作者。项目的进行得到了西湖大学张骊駻研究员、西湖大学甄莹研究员、中科院植物所王文达研究员、南京大学赵雪博士等的建议，并得到了西湖大学分子科学公共实验平台、西湖大学生物医学实验技术中心等的技术支持。西湖大学博士生尤婷婷、博士生毛卓、博士生刘润洲、科研助理郭康宁、科研助理杨津在实验过程或论文写作过程中提供了帮助。项目资助来自于科技部重点研发项目、浙江省杰青基金、浙江省重点研发项目、国家自然科学基金委与西湖教育基金会。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg792