中国科学院植物研究所最新Science

光系统I（PSI）是一种色素蛋白复合物，在光合作用中将光能转化为化学能。在光合生物中，PSI-LHC（光收集复合体）结构的大小存在显著差异，反映了对不同光环境的适应。

2025年9月11日，中国科学院植物研究所王文达、田利金共同通讯在Science在线发表题为“Structure and function of a huge photosystem I–fucoxanthin chlorophyll supercomplex from a coccolithophore”的研究论文，该研究揭示了来自颗石藻的巨大光系统I-岩藻黄素叶绿素超复合物的结构和功能。

该研究通过冷冻电子显微镜以2.79埃的分辨率报告了来自颗石藻Emiliania huxleyi（Eh）的PSI岩藻毒素叶绿素a/c结合蛋白（FCPI）超复合物的结构，该超复合物显示了一个巨大的Eh-PSI-FCPI超复合物，除了PSI核心外，还含有38个外周Eh-FCPI触角和一个连接蛋白（EhLP）。在Eh-PSI-FCPI中发现了一个由819种色素组成的网络，其功能是以95%的量子效率捕获和传输光能。这阐明了其模块化Eh-FCPI布置如何有助于PSI横截面的扩展和高效的光收集。

光合作用通过将二氧化碳转化为糖，将光能转化为化学能，从而维持地球上几乎所有的生命形式。原核蓝藻分化为两个主要的真核谱系，红色谱系和绿色谱系，以红藻和绿藻为代表。红色谱系中的主要群体包括硅藻、甲藻和触觉植物，每种都具有独特的特征。自白垩纪以来，触藻颗石藻一直是热带海洋中的主要类群之一，约占远洋碳酸钙沉积物的一半。这一贡献在很大程度上取决于它们的光合能力，以适应水下波动的光照条件，使颗石藻成为研究光合生物的光捕获和适应机制的合适模型。

颗石藻不同于绿藻和陆生植物，但与其他红系藻类（如硅藻和甲藻）有一些共同的特征，包括叶绿素c（Chl c）和酮类胡萝卜素的存在，这增强了水下条件下对蓝绿光和绿光的捕获。在红系藻类中，光系统I（PSI）核心被5到24个集光复合物（LHC）触角包围，包括Lhcr、Lhcf、Lhcq和RedCAP（红系叶绿素a/b结合样蛋白）。然而，人们对颗石藻中PSI核心和集光天线复合物的蛋白质和色素组成、排列和能量转移途径知之甚少。

机理模式图（图源自Science）

该研究首次在原子层面揭示了颗石藻（Coccolithophores）通过扩展和优化其光系统结构来适应海洋光环境的独特策略，其PSI拓展3~4倍捕光截面但依然保持了95%的光能转化效率，这是光合生物适应进化研究中的一个重大发现，为理解光合生物高效的能量转化机理提供了新的结构模型，对设计新型光合作用蛋白、指导人工模拟和开发高碳汇生物资源具有重要意义。

参考信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv2132