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綠藻光系統II捕獲光能的超分子基礎研究獲進展

2019-11-28

   11月25日,國際學術期刊《自然-植物》(Nature Plants)在線發表了題為Structural insight into light harvesting for photosystem II in green algae 的論文,該項工作由中國科學院生物物理研究所柳振峰課題組和日本國立基礎生物學研究所Jun Minagawa課題組合作完成。

  藻類對于地球生物圈而言具有不可替代的重要作用,它們通過放氧型光合作用為生物圈貢獻了約一半的原初有機物和氧氣。綠藻是自然界中常見的一類放氧型光合生物,廣泛分布在土壤和水體中。作為一種單細胞的綠藻,萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)是用于研究光合作用的重要模式物種,并且還被用作為生產生物燃料和藥物等高價值化合物的生物技術平臺,具有基礎研究和工業生產應用兩方面的價值。光系統II(PSII)是藻類和植物等進行放氧光合作用所必需的超分子機器,它可吸收外界光能并將光能轉化為化學能,進而催化水分子的裂解產生氧氣和質子。由于PSII核心復合物本身的捕光能力有限,需要通過其外周的主要捕光復合物II(LHCII)來提高捕獲光能的能力。衣藻PSII核心復合物的外周能結合不同數量的LHCII,二者裝配成不同形式的PSII-LHCII超級復合物,包括C2S2和C2S2M2L2兩個主要類型。C2S2M2L2型復合物是目前為止在藻類和植物中發現的最大的PSII-LHCII超級復合物。解析衣藻PSII-LHCII復合物的高分辨率結構有助于揭示綠藻捕光復合物LHCII捕獲光能并向PSII反應中心傳遞激發能的途徑和調控機理。

  該項工作報道了衣藻來源的C2S2和C2S2M2L2型復合物的高分辨率冷凍電鏡結構(分辨率分別為2.7和3.4 埃),并發現了二者的裝配原理和能量傳遞途徑。研究首次發現衣藻C2S2型復合物中的強結合型LHCII(S-LHCII)三聚體是由LhcbM1、LhcbM2和LhcbM3三個不同亞基組成,其中LhcM1與PSII核心天線CP43之間的裝配由兩個特殊的脂類分子(雙乳糖苷基二脂酰基甘油/DGDG)介導。C2S2M2L2型復合物是在C2S2復合物的裝配基礎上,在兩側結合了一對中等結合型的LHCII三體(M-LHCII)和一對松散結合型的LHCII三體(L-LHCII)。基于對C2S2M2L2型復合物三維結構的分析,研究結果揭示了L-LHCII與相鄰的兩個捕光天線(CP29和M-LHCII)之間的相互作用和裝配機制。次要捕光天線CP29和CP26中的N-末端和C-末端等多個區域存在綠藻所特有的序列和結構(在陸生植物中不存在)。衣藻CP29中的特征區段起到銜接L-LHCII與M-LHCII的重要作用,幫助穩定三者之間的裝配,而CP26中的特征區段則起到加強其與S-LHCII連接的作用。通過對衣藻C2S2和C2S2M2L2型復合物中的葉綠素網絡中兩兩相鄰色素分子之間的相互關系進行定量分析,揭示了多條從L-LHCII傳遞至PSII反應中心的能量傳遞途徑。該系列研究結果有助于理解綠藻在水體和土壤等弱光環境下實現高效捕光的分子基礎和在光照條件發生變化時動態調節捕光效率的機理。

  這項工作得到科技部國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和前沿科學重點研究計劃的資助和支持。冷凍電鏡數據的收集是在生物物理所成像中心平臺完成,并得到生物大分子國家重點實驗室Talos Arctica電鏡機時的支持,在數據收集過程中得到了平臺工作人員的幫助和大力支持。柳振峰課題組的盛鑫和李安節,Minagawa課題組的Akimasa Watanabe和Eunchul Kim等參與該項工作的完成,柳振峰和Jun Minagawa是該論文的共同通訊作者。

 
衣藻C2S2和C2S2M2L2型PSII-LHCII超級復合物的三維結構

來源:生物物理研究所

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