生命学院隋森芳院士参与完成的“破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能”入选2019年度中国科学十大进展

2020-03-04 20:18:59

227日,科技部高技术研究发展中心(基础研究管理中心)发布2019年度中国科学十大进展,我院隋森芳教授参与完成的破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能入选。

硅藻是海洋主要的浮游生物之一,贡献了地球上每年原初生产力的20%左右,这与其高效的光合作用能力以及强大的光保护能力密切相关,而这些都主要依赖于其独特的光系统以及外周捕光天线。光系统II(Photosystem II,PSII)是一个色素-蛋白超级复合体,它催化光诱导的水裂解反应,将太阳能转化为化学能,并释放出氧气。为了充分利用太阳能,光合生物进化出不同的捕光天线复合体(LHCs)用来捕获太阳能,并将能量传递给光系统II。硅藻的捕光天线系统主要结合叶绿素a/c和岩藻黄素(Fx),因此硅藻的捕光天线系统被命名为FCP,独特的捕光天线系统使硅藻在水下能高效的利用蓝绿光,同时还有极强的光保护能力。

清华大学生命科学学院隋森芳院士研究组与中科院植物所沈建仁研究员和匡廷云院士研究组合作通过单颗粒冷冻电镜技术首次解析了海洋硅藻角毛藻(Chaetoceros gracilis)光系统II-捕光天线超级复合体的结构,分辨率达到3.02埃,为解释硅藻高效的能量传递和强大的光保护机制提供了关键的结构依据(图2)。该结构显示PSII-FCPII超级复合体为二聚体,每个单体包含PSII核心的24个亚基和FCPII的11个亚基,还有200多个色素分子以及大量的脂质分子,整个PSII-FCPII超级复合体含有70个蛋白亚基,分子量高达1.4 MDa。硅藻PSII-FCPII复合体近原子分辨率结构还揭示了大量的叶绿素a(Chls a), 叶绿素c(Chls c),岩藻黄素(Fx),硅甲藻黄素(Ddx)和胡萝卜素(BCR)独特的排列方式,为阐明PSII-FCPII超级复合体独特的吸收光谱,高效的能量传递,水裂解和强大的光保护机制提供了重要基础,为揭示PSII复合体的进化演变提供了重要线索,也为人工模拟光合作用提供了新理论依据,同时为后续指导设计新型作物、提高作物的捕光和光保护效率提供了新思路。该成果以研究长文发表在国际顶尖期刊《科学》(Science)上(The pigment-protein network of a diatom photosystem II-light harvesting antenna supercomplex)。

清华大学生命科学学院博士研究生皮雄,中科院植物所博士研究生赵松浩和中科院植物所助理研究员王文达为本文共同第一作者。中科院植物所沈建仁研究员,清华大学生命科学学院隋森芳院士和中科院植物所匡廷云院士为本文共同通讯作者。国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台为数据收集和处理提供了支持。膜生物学国家重点实验室、北京市结构生物学高精尖创新中心、科技部、国家自然科学基金等为本研究提供了经费支持。



1 硅藻PSII-FCPII超级复合体在类囊体膜上的示意图

 

 

2 硅藻PSII-FCPII超级复合体整体结构A图从类囊体基质侧看整个PSII-FCPII超级复合体,虚线将整个结构分为两个单体。B图将PSII-FCPII单体的各个亚基名称标识出来。C图和D图将类囊体腔侧的5个蛋白亚基名称标识出来。