揭示“活化石”纤细裸藻光系统I的结构及演化策略 | 进展

裸藻起源于一次吞噬性裸藻与绿藻的二次内共生事件，这一独特的进化历程使其成为绿色谱系质体演化的关键节点，并形成了兼具动植物特征、拥有复杂嵌合基因组的混合营养体系。这种独特的进化史使其光合系统，特别是作为光能捕获与转换核心的光系统I (PSI)可能演化出高度特化的结构以适应多变环境。然而其精确的组装与适应机制长期缺乏原子尺度的直接证据。

为填补这一空白，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SM10组王玉梅、孙大鹏、博后毛志远与河北师范大学生命科学学院田立荣团队合作，通过冷冻电镜技术，成功解析了纤细裸藻（Euglena gracilis）光系统I-捕光天线（PSI-LHCE）超大复合体2.23 Å的高分辨率三维结构。

该结构显示，裸藻PSI-LHCE超级复合体呈现出极高的组分异质性与演化复杂性：其16个外周天线亚基并非同源重复，而是由12个Lhca蛋白与4种不同Lhcbm蛋白精密组装而成。这种高度异质的天线排布在已知光合系统中极为罕见，揭示了裸藻在复杂水体光环境中通过募集不同功能捕光蛋白以优化光能捕获的分子适应策略。在色素组成上，该复合体表现出显著的红 绿嵌合特征：所有天线蛋白（12个仅结合叶绿素a的Lhca，1个仅结合叶绿素a的Lhcbm以及3个同时结合叶绿素a/b的Lhcbm）均结合了红系藻类特征色素硅甲藻黄素（Ddx）；同时，研究团队在PSI核心中鉴定出4个Ddx分子，其精准取代了绿系物种常见的β-胡萝卜素位置，从原子层面印证了裸藻在演化中融合不同来源色素系统的“红 绿嵌合”逻辑。进一步分析发现，该复合体具有“小核心、大天线”的独特组织模式，且其稳定组装主要依赖LHCE异二聚体之间通过跨膜螺旋“背靠背”排列与构象变构形成的紧密内部网络，表明天线 天线相互作用（而非仅依赖与核心的对接）是驱动这一巨型超复合体形成的主导力量。

图1 纤细裸藻PSI-LHCE超级复合物的整体结构

该成果于3月6日以“Structural basis of diadinoxanthin-Chl a/b-binding proteins in the photosystem I supercomplex of Euglena gracilis”为题发表在国际著名学术期刊Science Advances杂志。本工作的冷冻电镜数据在中国科学院物理研究所冷冻电镜平台完成采集。中国科学院物理研究所软物质物理实验SM10组王玉梅副研究员和河北师范大学生命科学学院田立荣副教授为论文的共同通讯作者。河北师范大学生命科学学院博士生白天宇、中国科学院物理研究所博士后毛志远和孙大鹏副研究员为论文共同第一作者。该工作获得了国家自然科学基金项目和中国科学院的资助。

编辑：LogicMoriaty