捕获阳光！中国科学院最新研究登上Science封面

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

光合生物通过光系统吸收光能，该系统由包含多种蛋白质和色素的精密捕光复合体组成，可将光能导向反应中心。颗石藻是海洋中的主要浮游植物之一，其在白垩纪达到鼎盛，在海洋碳沉积和全球碳循环中扮演重要角色。颗石藻能够适应海水不同深度的多变光环境，其高效的光合自养生长可助其快速繁殖，但颗石藻光系统复合物如何能高效捕获和利用光能的微观机理并不清楚，进化机制也未见报道。

2025 年 9 月 11 日，中国科学院植物研究所王文达、田利金团队在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Structure and function of a huge photosystem I–fucoxanthin chlorophyll supercomplex from a coccolithophore 的研究论文，该研究还被选为当期封面论文。

研究团队首次纯化并解析了来自赫氏艾米里颗石藻（

Emiliania huxleyi

封面图：海洋中的颗石藻的光合作用蛋白在水下捕获绿光，呈现出橙红色。它们的光系统 I 和捕光蛋白质组合成一个巨大的分子机器，能够高效地捕获、传递和转化光能，这展示了光合作用的进化多样性以及对光的终极追求。

光系统 I（PSI）是类囊体膜中一种至关重要的色素蛋白复合物，它驱动电子转移以固定二氧化碳（CO2），其将光能转化为化学能的量子效率几乎达到 100%。为了在不同生境中充分利用光能，真核光合生物使用多种类型和数量的捕光复合物（LHC）来收集光能并将其传递给 PSI 反应中心。其中，Lhca 是绿藻和陆生植物中 PSI 的光捕获天线，而在红藻、硅藻、隐藻、甲藻等红系藻类中则发现了大量的 Lhcr、Lhcf 或 Lhcq 蛋白。这些不同的 LHC 吸收光能，并在不同光照条件下调节能量平衡。

在这项新研究中，研究团队从赫氏艾米里颗石藻（

Emiliania huxleyi，Eh

该单体超级复合物包含12 个 PSI 核心亚基、一个特异的腔连接蛋白（EhLP）以及38 个外周 Eh-FCPI 天线蛋白，共含411 个叶绿素 a、152 个叶绿素 c、256 个类胡萝卜素和若干其他配体，从而构成了迄今已知最大的PSI-天线超复合物。系统发育分析表明，16 个 Lhcq 类 Eh-FCPI 为 Eh 所特有，而10 个 Lhcr、1 个 Lhcf、1 个 RedCAP和10 个 Lhcq 类 Eh-FCPI则与红藻或硅藻中的对应蛋白相似。38 个 Eh-FCPI 以辐射状排列形成8 个条带状簇，环绕于 PSI 核心周围。此外，除叶绿素 a、硅甲藻黄素、硅藻黄素、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素外，结构中还鉴定出4 种叶绿素 c和4 种岩藻黄素衍生物，共同构成了一个用于光捕获与能量传递的复杂色素网络。高含量的叶绿素 c 和岩藻黄素使其具备快速动力学特性，可高效吸收蓝绿光与绿光——这一特性尤其适合海洋环境中的颗石藻生存。

研究团队进一步通过飞秒瞬态吸收光谱测量发现，Eh-PSI-FCPI 的整体激发捕获时间为 96~120 皮秒，表明该超级超复合物具有约95% 的量子转换效率。

Eh PSI-FCPI 超级复合体，包含了 38 个围绕 PSI 的 FCPI 捕光天线和 819 个色素，它们以模块化的方式排列成8个放射状排布的捕光天线条带，整个系统捕获光能的量子转化效率约 95%，表明其光能利用效率极高。

总的来说，这些研究结果揭示了 38 个 FCPI 捕光天线的组织结构以及大量有助于捕光和快速能量转移的色素，这些色素存在于Eh-PSI-FCPI中。尽管与陆生植物的 PSI-LHCI 相比，Eh-PSI-FCPI 的捕光横截面扩大了 4-5 倍，但其 95% 的量子转换效率表明，这是一个非常高效的光能转换系统。

论文链接：

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