Science | 李小波团队发现海洋光合作用关键色素合成酶

光合作用塑造全球地貌与大气组成，为全球生物圈提供能量，并为人类社会提供食物、材料、药物等多种资源。叶绿素是光合作用光能捕捉与化学能产生所需的关键分子。

生命起源于海洋。人类呼吸的氧气仍有约一半由海洋光合作用所产生。尽管海洋藻类在大小、颜色和形态上各不相同，但它们的捕光色素-蛋白复合体中大多采用了一种陆地植物所缺乏的、名为叶绿素c的分子。

2023年10月6日，西湖大学生命科学学院李小波团队在Science发表题为“A chlorophyll c synthase widely co-opted by phytoplankton”的文章，首次报道了叶绿素c合成酶编码基因及该酶作用机制，挖掘了叶绿素c的生理功能，讨论了该基因的演化形成与转移。这项研究解决了长期以来困扰海洋光合作用领域的一个问题，并为海洋藻类捕光机制的合成生物学应用打开了一扇门。

一、叶绿素c的前世今生

产氧光合生物主要含有五种类型的叶绿素：叶绿素a,b,c,d,f。1817年，法国科学家皮埃尔·约瑟夫·佩尔蒂埃（Pierre Joseph Pelletier）与约瑟夫·别奈梅·卡旺图（Joseph Bienaimé Caventou）将植物叶片的绿色提取物称为叶绿素。1864年，爱尔兰物理学家乔治·加布里埃尔·斯托克斯（George Gabriel Stokes；图1A）发现一些海藻的叶绿素组分不同于陆地植物。在1864年的论文中他报道了绿色植物与水生的橄榄色藻类在叶绿素的类型上呈现着显著的区别：它们共有一种叶绿素，同时各自具有一种对方缺乏的叶绿素。共有的叶绿素后来被称为叶绿素a；绿色植物与橄榄色藻类独有的色素后来分别被称为叶绿素b与叶绿素c（图1B）。后来日本科学家Hideaki Miyashita与华人科学家Min Chen等从蓝细菌中分别发现了叶绿素d与叶绿素f。

图1叶绿素c的早期研究。(A) 斯托克斯头像。图源：AIP Emilio Segre Visual Archives。（B）斯托克斯1864年论文【G. G. Stokes, Proc Roy Soc 13, 144 (1864)】截图。该论文提到橄榄色的藻类中存在着第三类“绿色物质”，该物质后来被命名为叶绿素c。

叶绿素c比起其他四种叶绿素有三个特殊性：唯一的无尾叶绿素（较为亲水），大环类型为二氢卟吩环而不是卟啉环，C17侧链具有碳碳双键（图2）。 含有叶绿素 c 的捕光复合体的吸收光谱不同于陆地植物的捕光复合体，可以更高效地吸收水域中丰富的蓝绿光，这可能是各种藻类广泛采用叶绿素 c 的原因。

图2，叶绿素a与一种代表性叶绿素c（叶绿素c1）的结构比较。主要区别用红色高亮表示。叶绿素b, d, f在高亮部分与叶绿素a具有相同的结构。

二、主要挑战：真核藻类的分子遗传学工具

叶绿素的合成是生物学家与化学家长期以来的重要关注对象，例如1915、1930、1965年的诺贝尔化学奖均颁给了叶绿素的结构鉴定与化学合成研究。 得益于世纪之交分子遗传学工具的大发展，各种叶绿素生物合成的众多公共步骤或特异步骤所需基因已被发现。而叶绿素 c 合成酶则长期以来未被突破。在真核藻类中，绿藻中的莱茵衣藻遗传学研究较多，然而绿藻不含有叶绿素 c 。硅藻、褐藻、定鞭藻、甲藻等含叶绿素 c 的门类在海洋固碳、海洋动物生存、海洋动物栖息地的建立、海洋沉积物的形成、赤潮形成等重要生态过程中扮演着重要的角色，其中的海带（褐藻）还是人类喜爱的食物来源（图3）。然而这些藻类的遗传操作工具缺均为落后。硅藻中的特定物种基因组测序已十余年，但是硅藻细胞一般为二倍体，即每个细胞具有两套基因组，传统手段很难同时破坏基因的两个拷贝以测试其功能。

图3，含叶绿素c藻类的多样性与生态功能示意图。作者：李小波实验室博士生杨雨青。

近年来CRISPR基因编辑方法的进步使得一个基因的两个拷贝同时被破坏成为可能。李小波此前主要从事莱茵衣藻光合作用的研究，回国之后逐渐认识到硅藻的独特性，决定将硅藻光合作用作为实验室一个重要的研究方向。团队的张欢博士等克服了材料获取等方面的一系列困难，结合国内外已发表工作，优化了三角褐指藻（一种海洋硅藻）的遗传操作体系。

三、本文研究成果：叶绿素c合成酶的发现

为了找到编码叶绿素c合成酶的基因，李小波团队从三角褐指藻基因组中根据各基因在不同生长条件下的表达水平选取了数十个候选基因，依次进行敲除与表型检测。其中一个基因的突变体表现出绿色，而不同于野生型硅藻的褐色（图4）。

图4，叶绿素c合成酶突变体的发现。褐色藻落为野生型，绿色藻落为缺失叶绿素c的突变体。

色素分析显示，该基因的突变体虽然缺乏绿色的叶绿素c，却也减少了与叶绿素c处于同一色素-蛋白复合体的黄色色素——岩藻黄素的含量，因此呈现比野生型更绿的颜色。在低光照条件下，该突变体表现出明显的生长劣势。体外实验证实，该基因编码的酶能够直接合成叶绿素c，因此被命名为叶绿素c合成酶（Chl c synthase），简称CHLC（见图5）。

图5，叶绿素c合成反应示意图。CHLC蛋白利用一系列辅因子在底物（DVP）侧链上形成碳碳双键。

结合Tara Oceans海洋生物调查数据，研究团队发现CHLC同源基因广泛分布于全球海洋。在系统演化分析中，团队发现不含叶绿素c的生物缺乏CHLC同源基因；而同样含有叶绿素c的定鞭藻、甲藻和隐藻，虽然与硅藻亲缘关系较远，均具有该基因。然而，与硅藻亲缘关系更近并含有叶绿素c的褐藻却缺乏该基因，这表明褐藻可能采用未知的、独立演化出的酶来合成叶绿素c。这一结果与论文其他在演化方面的发现表明现在的光合作用机制演化学说还有待修正。

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；特聘研究员李小波为本文通讯作者；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。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。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7921#tab-contributors