植物所等在红藻光系统I三维结构解析方面获取进
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中科院植物所解析红藻光系统三维结构

光系统I(Photosystem I,PSI)是执行光合作用光反应的一个重要的超大色素-蛋白复合体。它通过一系列复杂的色素网络捕获太阳能,并通过驱动跨膜电子转移从而将光能转化成化学能,被称作自然界中最高效的光能转化装置。目前,国际上已经解析了原核生物蓝藻PSI以及高等植物豌豆PSI的捕光色素蛋白复合体I高分辨率结构,但关于红藻等从原核生物向真核生物过渡的真核藻类的PSI高分辨率三维结构研究还是一个空白。

光合生物的光系统I是一个极高效率的光能吸收和转化系统,几乎每一个吸收的光子都能产生一个电子,其量子转化效率超过90%。因此PSI高效吸能、传能和转能的结构基础受到科学家的广泛关注。目前,原核生物蓝藻、真核生物红藻和高等植物PSI超级复合物结构都已被解析,然而绿藻PSI的高分辨率结构长期处于空白。

记者日前从中国科学院植物研究所获悉,该所研究员、中科院院士匡廷云与研究员沈建仁领导的研究团队同清华大学开展合作,首次解析了红藻光系统I核心与捕光天线复合物3.63 Å分辨率的三维结构,填补了该领域的空白。研究成果近日发表在《美国科学院院刊》上。

中国科学院植物研究所研究员、中国科学院院士匡廷云与研究员沈建仁领导的研究组长期从事光合膜蛋白超大复合体的结构与功能研究。近期,研究组通过与清华大学教授、中科院院士隋森芳团队开展合作,利用单颗粒冷冻电镜技术首次解析了红藻PSI核心与捕光天线复合物的3.63 Å分辨率的三维结构。研究发现,红藻中存在2种PSI-LHCR结构状态,分别结合了5个和3个LHCR;与高等植物全部LHCI位于PSI核心一侧不同的是,结合5个LHCR的红藻PSI-LHCR的两个额外LHCR蛋白位于相反一侧,展现了与高等植物PSI-LHCI明显不同的结构,显示了处于原始形态的红藻PSI-LHCR的特征。研究表明,红藻PSI核心既具备了蓝藻PSI的部分特征,也带有高等植物PSI的部分特征,证实了红藻PSI是从原核生物向真核生物进化的中间类型。研究人员还首次确认了真核PsaO亚基在PSI中的位置和结合色素的情况,并确认了红藻LHCR中独特的色素组成。

牛彩彩票官网 ,假根羽藻是生长在潮间带的大型绿藻,涨潮时藻体生长在以蓝绿光和绿光为主的弱光环境中,并能够完成吸能、传能和转能过程以满足自身生长的需要;落潮时能够适应暴露的高光强环境并进行光保护,具有独特的光合作用特征。

研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术发现,红藻的光系统I核心与捕光天线复合物存在2种结构状态,既具备了原核蓝藻的部分特征,也带有高等植物的部分特征,证实了红藻的光系统I是从原核生物向真核生物进化的中间类型。

该研究不仅揭示了红藻PSI-LHCR的独特结构和能量传递特征,显示了红藻PSI结构对环境变化的适应性,以及PSI从原核生物向真核生物进化过程中的结构变化,对于阐明PSI的进化和功能具有重要意义。这是该研究组继2015年解析了高等植物PSI-LHCI高分辨率三维结构之后的又一重要进展。

中国科学院植物研究所匡廷云和沈建仁带领的研究团队与济南大学秦晓春团队、清华大学隋森芳团队合作,利用冷冻电镜技术,解析了假根羽藻光系统I-捕光复合物I超级复合物3.49埃分辨率的结构。研究发现,假根羽藻的PSI-LHCI具有13个核心复合物亚基、10个捕光天线复合物,是目前已报道的捕光天线数量最多的PSI-LHCI结构;10个捕光天线复合物的排布呈现特殊的双环形式,形成内环4个天线、外环4个天线、与它们相反的另一侧结合了2个天线的结构,这反映了假根羽藻对较弱光环境的适应。进一步的结构分析显示,同高等植物相比,假根羽藻的激发能传递速率更快,证明了登陆以后的高等植物为适应强光环境而在能量传递速率上付出一定的代价。

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