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植物所揭示小立碗藓独特光合膜色素蛋白复合体精细结构及其组装原理

  • 转自：植物生物技术Pbj公众号
  • 日期：2023-04-26
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        光系统I（PSI）和光系统II（PSII）是光合作用光反应过程中执行光能捕获、传递和转化的重要超分子蛋白质机器。光合生物为了适应不同的光环境，进化出了多种多样的光能捕获机制。苔藓植物代表了植物演化过程中水生植物到陆生植物的过渡类群，位于藻类和维管植物的中间位置。小立碗藓(Physcomitrium patens)作为一种重要的模式生物，有着独特和多样的捕光天线组成，对其捕光天线与光系统蛋白复合体的结构研究将为揭示早期植物对陆生环境的适应提供重要线索。
               小立碗藓（Physcomitrium patens）PSI-LHCI-LHCII-Lhcb9超级复合体的整体结构
        中科院植物所光合膜蛋白结构生物学研究组和浙江大学研究团队合作利用单颗粒冷冻电镜技术解析了小立碗藓光系统I-捕光天线I(PSI-LHCI)-捕光天线II(LHCII)-Lhcb9超大分子复合物2.68埃分辨率的结构，发现该复合物整体包含1个PSI-LHCI复合体、1个LHCII三聚体和1个小立碗藓特有的捕光天线亚基Lhcb9，其中PSI-LHCI里包含了8个LHCI天线亚基，比高等植物PSI-LHCI多4个LHCI天线亚基。LHCII三聚体位于PsaH-PsaL-PsaO的一侧，并通过Lhcbm2的N末端磷酸化位点与PsaH、PsaL和PsaO亚基相互作用。Lhcb9介导了LHCII三聚体和外侧4个LHCI天线亚基与PSI核心的连接。基于超分子复合体中色素分子的结构排列，研究人员进一步发现了多条小立碗藓独特的光能捕获和传递途径，其中Lhcb9在外周捕光天线向PSI核心的激发能量传递方面起着至关重要的作用。
        该研究不仅揭示了小立碗藓PSI-LHCI-LHCII-Lhcb9超大分子复合体的详细蛋白结构、色素排布及外围捕光天线到核心的激发能量转移途径，而且为阐明植物从水生到陆生演化过程中PSI超分子复合体的结构变化提供了重要线索，对于认识苔藓植物光合膜蛋白动态组装和适应陆地环境的分子机制具有重要意义。同时，该研究也为理解光合生物光适应和光保护机制的多样性提供了重要信息，将对设计新型高光效光合系统和环境耐受型作物提供重要启示。
        该研究成果于4月24日在线发表于国际学术期刊Nature Plants上，中科院植物所博士研究生张松、浙江大学博士研究生汤凯璐、植物所已毕业博士研究生闫秋敬为论文共同第一作者，植物所研究员韩广业和浙江大学教授张兴为论文共同通讯作者。中科院院士、植物所研究员匡廷云、研究员王文达和首都师范大学教授何奕騉等参与了该研究。研究工作得到了国家重点研发计划、中科院先导专项、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目资助。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-023-01401-4