硅藻是海洋中一类重要的红色浮游植物，每年贡献了海洋40%或全球20%左右的原初生产力，在全球碳固定和地球化学循环中扮演重要角色。硅藻能取得如此成功生态位的一个重要因素是其捕光天线为具有出色捕光和光适应能力的岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白(FCP)。为研究硅藻在水下高效利用蓝绿光、传递和转化太阳能的机理，我们团队与合作者利用晶体学和冷冻电镜技术破解了硅藻FCP捕光天线和光系统超级复合物的结构，揭示了FCP蛋白的独特结构特征和聚合状态，以及与其结合的大量叶绿素a、叶绿素c和岩藻黄素等色素分子的结合细节，为揭秘硅藻光合膜蛋白机器高效运行机理提供坚实的结构基础。
1硅藻光合作用
光合作用是地球上最重要的化学反应之一。它可以大规模地利用太阳光能，以二氧化碳、水等无机物为主要原料，合成碳水化合物等有机物，并产生氧气。氧气的出现直接改变了地球表面大气层的成分和结构，并形成臭氧层，为生物大爆发和高等生命的出现以及人类进化提供了前提条件。光合作用合成的有机物也为人类和动物等提供生命活动所必需的食物，并直接或间接地为人类社会发展提供煤和石油等化石燃料，是现代文明中农业和工业生产的关键物质基础(图1)。
图1 光合作用与人类社会
光合作用分为光反应和暗反应两个阶段，其中负责光反应的色素-蛋白复合物主要进行捕光、传能、原初电荷分离和传递电子以及跨膜质子转运[1]，并为接下来的暗反应固碳提供能量和还原力。为实现高效的捕光以驱动光合作用的进行，色素-蛋白复合物分为捕光天线复合物和反应中心两种模块，分别主要负责光能的捕获和光化学反应[2]。
光合生物为了更好地适应不同的环境，经历了多个阶段的进化，比如从不产氧光合细菌到产氧光合细菌，从原核蓝细菌到真核单细胞藻类再到多细胞高等植物。数十亿年的进化过程导致光合生物的多样性，出现了光合细菌、微藻、苔藓以及高等植物等光合物种，也演化出多彩多样的色素-蛋白复合物，出现I型和II型两种反应中心以及外围的水溶性捕光蛋白和膜蛋白两种捕光天线。反应中心和捕光天线进一步组装成超级复合物，在光合膜上发挥作用，比如紫细菌中的反应中心和捕光天线超级复合物(reaction center-lightharvesting 1 supercomplex, RC-LH1)[3]、蓝藻和红藻中的光系统II-藻胆体复合物(photosystemII-phycobilisomes, PSII-PBS)[4-5]、绿藻和植物中的光系统II捕光天线复合物(photosystem II-lightharvesting complex II, PSII-LHCII)[6]和光系统I捕光天线复合物(photosystem I-light harvesting complex I, PSI-LHCI)[7]。进化过程中丰富多彩的光合色素-蛋白复合物为我们认识和研究光合作用机理提供了不同的视角。
硅藻是地球光合生物的重要分支之一。十多亿年前，原核蓝藻内共生而产生两支主要的真核光合生物类群，其中：原始的绿藻进化为现代绿藻和陆地植物，成为绿色分支；而以单细胞红藻开始的红色分支(红系)经历了二次或者三次内共生演化出隐藻、褐藻、硅藻和甲藻等类群。硅藻大约诞生于侏罗纪，其叶绿体因为二次内共生具有四层膜，不同于常见高等植物的叶绿体双层膜结构[8]。从细胞结构看，硅藻为单细胞生物，表面为硅质外壳，细胞整体结构呈现对称性，并根据对称方式的不同，分为中心对称的中心纲和两侧对称的羽纹纲两类[9-10]。硅藻具有极强的适应能力，能在高原和南极等极端条件下生存。硅藻对光合产量的贡献巨大，其净原初产量在全球每年的光合原初生产量中约占1/5，相当于陆地热带雨林的光合原初生产量之和[11]，这与其高效的光能利用效率和超强的光适应能力有关。
2 硅藻光合膜蛋白与结构生物学研究
硅藻特有的红系捕光天线是其实现高效光能捕获的分子基础。硅藻的捕光天线为岩藻黄素-叶绿素a/c蛋白(fucoxanthin-chlorophylla/cprotein, FCP)，可以捕获蓝绿光和绿光[12]，这也是硅藻细胞颜色呈现红棕色的原因(图2)。从结合的色素种类上看，硅藻的主要捕光色素为叶绿素a、叶绿素c、岩藻黄素和硅甲藻黄素等。高等植物、苔藓和绿藻等绿色系统光合生物的主要捕光色素除了叶绿素a外，还有叶绿素b、叶黄素和紫黄质等。硅藻中岩藻黄素等类胡萝卜素与叶绿素的相对比例高于常见的绿色系统光合生物，适合在深水弱光环境下有效地捕获光能。另外，硅藻的光系统反应中心与其他物种相比起来是保守的，但是催化裂解水并释放氧气的相关蛋白也有独到之处。与其他绿色微藻和植物相比，硅藻独特的光系统和捕光天线复合物使硅藻不仅在弱光条件下可以有效地捕获蓝绿光和绿光，保持光系统的水裂解活性，而且在强光下可以有效地淬灭过多激发能，防止活性氧产生而导致损伤，因此硅藻具有极强的光环境适应能力[13]。
图2 硅藻FCP捕光天线蛋白的纯化和结晶
硅藻光系统和捕光天线的光合特性和结构解析研究一直比较滞后，缺乏足够的结构生物学证据，极大地限制了人们对于硅藻光合作用机理的认识[14-16]。为精确和深入了解硅藻的光系统和捕光天线，中国科学院植物研究所的科研团队首先以羽纹纲的三角褐指藻为研究材料，纯化和表征了其双体FCP天线，筛选和优化了FCP晶体(图2)，最终解析得到1.8Å(1Å=0.1nm)分辨率的双体FCP结构[17]。通过光谱定性或者定量分析硅藻光合膜蛋白的色素和亚基的组成，研究其捕获和传递光能的特点相对比较容易，难点在于将高纯度的FCP天线蛋白规则地培养成晶体。由于膜蛋白结合了生物膜上的大量不规则的脂分子，这一步通常需要耗费科研人员数年的时间和心血。在准备好形状规则的漂亮晶体后(图2)，科研人员在我国上海的第三代同步辐射光源取得晶体的X射线衍射图样，最终通过一系列复杂的运算，在原子分辨率下搭建出蛋白质的空间结构模型(图3)。一般蛋白质中的化学键长度和强相互作用的距离在1.0～3.0Å之间，而1.8Å分辨率意味着科研人员可以准确地判断蛋白质中碳、氮、氧原子的距离，并以此为基础分析硅藻FCP捕光天线中蛋白和色素网络的细节，探索硅藻光合作用的分子机理。
图3 硅藻第一个FCP二聚体晶体结构
除了晶体学技术外，另一种重要的结构生物学技术——单颗粒冷冻电镜，是目前研究大分子量蛋白结构的重要手段，而且节省了培养蛋白质晶体的繁琐步骤，只需要将蛋白质冷冻在玻璃态的冰层中，并在300kV的高压透射电子显微镜下采集“照片”(图4)。科研人员将照片中的蛋白颗粒挑选出来，进行分类和电子密度的构建，就可能获得近原子分辨率的结构模型。硅藻的光系统Ⅱ-捕光天线超级复合体(PSII-FCPII)的分子量超过1400kDa，非常适合冷冻电镜技术；而此前FCP捕光天线蛋白分子量较小，在电子显微镜下的投影很弱，其结构适合通过晶体学技术来解决。2019年中国科学院植物研究所团队与清华大学的研究团队合作，以单颗粒冷冻电子显微镜为研究手段，解析得到3.0Å分辨率的PSII-FCPⅡ超级复合物的结构[18]。这两项结构生物学研究首次展现了硅藻光系统反应中心和天线的结构，使我们对硅藻色素-蛋白复合物中捕光、传能和能量转化，以及快速适应光环境的机制有了更加具体和深刻的认识。
图4硅藻PSII-FCPⅡ的单颗粒冷冻透射电镜：从负染电镜检查表征到单颗粒冷冻电镜数据收集、二维颗粒分类处理和三维密度重构计算的流程。绿色线条圈出的是光合膜蛋白颗粒在冰层中的分布
3硅藻FCP天线和光系统的结构及组装
科研人员发现三角褐指藻双体FCP的结构呈现二重对称性(图3)，两个FCP蛋白亚基以“头对头”的方式结合形成二聚体，这颠覆了此前国际上FCP三聚体的主流观点。单体FCP的结构与高等植物和绿藻的LHC捕光天线蛋白的三维结构相似，主要由三个跨膜α螺旋组成，而主要区别在FCP蛋白末端区域。虽然以硅藻为代表的红色光合生物跟绿藻和高等植物为代表的绿色光合生物是平行进化，但是两者最终都选择了以三个跨膜螺旋为主要特征的天线结构作为基本组装单元[19]，殊途同归。这也体现了生命进化和自然选择的奇妙之处。
晶体结构解析发现，三角褐指藻FCP的Lhcf4蛋白亚基结合7个叶绿素a、2个叶绿素c、7个岩藻黄素和1个硅甲藻黄素。在硅细胞内每个天线是有序组合和流水线生产的，可以形象地认为捕光天线的蛋白和色素复合体像乐高玩具一样拼插，而零件就是每个蛋白亚基和色素。FCP蛋白和色素组装成复合体后再进一步与光系统反应中心组装成超级复合物，最终有序且高效地将太阳光能转化为化学能。
FCP单体进一步组装以双体和四体形式为主，不同于高等植物和绿藻的三体LHCII(图5e～g)。双体组装模式中，两个Lhcf4单体之间的相互作用主要由C螺旋上精氨酸和丝氨酸形成的两个强氢键以及跨膜区域的疏水作用介导，以“头对头”的形式组装(图5e)，区别于LHCII三体的“头尾相接”模式。相反，四聚体组装模式中，FCP-A单体则以“头尾相接”的方式组装，整体形状类似碗状：碗底由FCP-A基质侧的环(loop)结构域相互聚拢而成；碗壁处的相互作用由相邻单体的色素和脂质分子等的配位作用介导[20]；碗口则朝向囊腔侧，相互距离较大，呈相对开放状态(图5g)。高等植物三体LHCII中，C-末端的色氨酸和N-末端的“WYGPDR”氨基酸序列起到了各单体之间的重要介导作用(图5f)，而FCP中则缺少这些序列，可能是导致FCP没有形成三聚体的重要原因[20]。
图5 硅藻FCP天线和植物LHC天线的蛋白结构图：(a)～(c)分别为3种FCP的单体结构；(d)为绿藻和植物的LHC单体天线(CP29亚基)结构；(e)～(g)分别为硅藻FCP二聚体、植物LHC三聚体和硅藻FCP-A四聚体的结构示意图。稳定亚基聚合的氨基酸和色素等被相应标记出
硅藻的光系统II和FCP捕光天线组装成的超级复合体更加复杂，它包含了70个蛋白亚基和500多个色素分子(图6)。超级复合体是由2个PSII-FCPII单体组成，每个PSII-FCPⅡ单体包括1个PSII核心、2个FCP-A四聚体亚基和3个FCP单体(FCP-D/E/F)亚基。硅藻光系统II反应中心核心共包括19个跨膜亚基和5个放氧亚基，其中Psb34、PsbG和Psb31是硅藻中新发现的3个亚基。Psb34和PsbG是跨膜蛋白，位于外围天线和反应中心的交界面处，帮助FCP天线四体与反应中心的结合以及天线向反应中心的能量传递。Psb31是硅藻特有的放氧亚基，位于囊腔侧膜表面，起到了优化裂解水的质子产物排出的过程，进而保护水裂解催化中心(图6)。
图6硅藻PSII-FCPII结构与功能示意图
PSII-FCPII的整体组装与高等植物和绿藻的C2S2M2型PSII-LHCII(C：核心；S和M：与核心结合较强和较弱的LHCII)超级复合物相似：有一个四聚体FCP-A直接结合到PSII核心，被称为ST(strongly-associated tetramer)；另一个四聚体通过FCP-D和FCP-E与核心间接结合，被称为MT(moderately-associated tetramer)，最外围的FCP-F结合在MT一侧。与植物和绿藻的PSII-LHCII的主要区别表现在两个方面：一是硅藻外围天线主要以四聚体形式组装，不同于LHCII的三体形式；二是与PSII结合力较强的四聚体位于反应中心的CP47一侧，与PSII-LHCII中的S-LHCII相反。
另外，新发现的Psb34和PsbG亚基对于复合物的组装起到了重要作用，展现了硅藻光系统II独特的稳定性和灵活性。其中，PsbG核心小亚基负责介导ST四聚体和PSII的连接，Psb34有辅助功能。另外，FCP-D单体天线亚基处在CP43和2个四聚体构成的三角形中间，起到强化外围天线的组装稳定性和连接外围亚基与PSII核心的作用。硅藻进化出区别于绿色系统光合生物的独特光系统和捕光天线的结构，是为了更好地适应特定的生存光环境。那晶体结构解析的二聚体FCP亚基的位置在哪里呢？目前科学家还没给出答案，据推测可能结合在四聚体的外围，或者也可以直接结合在PSII核心外围。
4硅藻捕获蓝绿光机理
硅藻的FCP捕光天线结合了大量叶绿素a、叶绿素c、岩藻黄素、硅甲藻黄素等，捕获的光能需要最终传递至反应中心，驱动原初电荷分离以及电子传递链。其中，叶绿素a和叶绿素c除了吸收红光外，叶绿素a还捕获蓝光(400～460nm)，叶绿素c捕获蓝绿光(460～500nm)，而岩藻黄素可以根据蛋白质内的结合环境，延伸自己的捕光能力到绿光区域(500～560nm)。FCP天线中岩藻黄素等类胡萝卜素的数量很高，可以达到绿藻和高等植物的LHCI/LHCII的相应色素的两倍，这极大强化了硅藻对蓝绿光的捕获能力。更重要的是可以根据FCP天线中的岩藻黄素结合环境，推断某些结合在亲水蛋白环境中的岩藻黄素分子因为溶剂效应，吸收光谱红移到蓝绿光区域(图7)，这是FCP使硅藻呈现红棕色的主要原因。
图7 硅藻、绿藻和植物捕光天线的捕光范围
FCP天线捕获的能量直接或者间接传递给光系统II反应中心。能量传递的核心原则是由高能态的色素分子传递到低能态的分子。有意思的是，2个或2个以上的叶绿素分子接近形成叶绿素对，通过能量偶联降低它们的能级，在能量传递中扮演了重要作用。这些能量偶联的叶绿素对大部分处于外围FCP天线向反应中心传输能量的关键枢纽位置，因此可以有效调控不同光环境条件下的能量传输过程。另外，由它们接收的能量也可以传递到附近的一些类胡萝卜素分子，在强光下帮助叶绿素清除过剩的光能，避免受到光损伤[20]。
5结语
硅藻双体FCP和PSII-FCPII的结构解析，破解了硅藻光系统和捕光天线的分子结构与功能之谜，向我们展示了硅藻光系统中独特的色素蛋白网络，揭示了硅藻光系统蛋白在捕获蓝绿光、高效传能和光保护等方面的分子机制，为后续深入研究光合系统的能量高效利用奠定了坚实的结构基础，是光合作用领域重要的科学突破。为此，美国《科学》杂志评论硅藻的光系统和捕光天线研究是里程碑性质的工作[21]。该成果入选了科技部评选的“2019年度中国科学十大进展”，两院院士评选的“2019年中国十大科技进展新闻”和中国科协生命科学学会联合体评选的“2019年度中国生命科学十大进展”。硅藻光合作用新的分子机制也将为人工模拟光合作用机理、指导设计新型高光效作物、打造智能化植物工厂提供新策略和新思路，有望为农业经济生产提供新助力以及促进新产业的生成。
通信作者
王文达，中国科学院植物研究所研究员，主要从事光合作用光系统和捕光天线复合体的结构与功能研究。
原文刊载于【自然杂志】公众号
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