硅藻是海洋中重要的浮游生物，每年为全球初级生产力做出了重大贡献。硅藻可以通过其强大的FCP捕光天线（Fucoxanthin Chlorophyll a/c protein）实现蓝绿光的高效利用和快速的光适应【1】。中国科学院植物研究所光合膜蛋白结构生物学团队致力于硅藻光合膜蛋白三维结构和功能的研究，此前成功破解了羽纹纲硅藻FCP二聚体天线【2】、中心纲硅藻FCP三聚体天线【3】以及结合LHCX单体/FCP二聚体/FCP四聚体的PSII-FCPII超复合物【3-5】和超大PSI-FCPI复合物的结构【6】，阐明了硅藻光系统复合物结合天线的亚基组成、排列方式以及色素分布。然而，硅藻FCPII的聚集形式的藻种间差异还需进一步揭示，并且不同聚集形式FCP中蛋白和色素的构象、色素簇组成以及吸收和发光特性差异也需要进一步研究。
近日，中国科学院植物研究所光合膜蛋白结构生物学团队在Plant Communications上发表了题为Structural and spectroscopic insights into fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins of diatoms in diverse oligomeric states的研究论文，通过单颗粒冷冻电镜与多种稳态光谱揭示了中心纲硅藻假微型海链藻 (Thalassiosira pseudonana, Tp) 与纤细角毛藻 (Chaetoceros gracilis, Cg) 外周天线中的FCP二聚体、三聚体、四聚体、五聚体等寡聚态的结构与功能上多样性。
研究人员首先分别在假微型海链藻和纤细角毛藻提纯2种和3种FCP聚集体，通过大量的生理生化实验证实了其为假微型海链藻的FCP二聚体和三聚体，及纤细角毛藻的FCP二聚体、四聚体和五聚体。通过结构生物学手段，研究人员解析了假微型海链藻FCP三聚体与纤细角毛藻FCP四、五聚体的冷冻电镜结构，结构表明不同寡聚态FCP中不同的色素组成和排列方式改变了它们的蓝绿光收集和激发能量转移途径。最后，研究人员通过吸收、荧光和圆二色稳态光谱实验证明了FCP四聚体和五聚体相较于FCP二聚体、三聚体表现出更强的叶绿素c吸收和更红的叶绿素a荧光发射组分以及更强的表征叶绿素a和类胡萝卜素间互作的圆二色谱信号。本研究指出，虽然硅藻的FCP聚集形式具有多样性，但是二聚体可能是不同硅藻藻种普遍存在的FCP聚集形式。不同的硅藻可以借助FCP与聚集形式相关的功能多样性在复杂的海洋光环境中更好地适应光强和光质变化。
假微型海链藻与纤细角毛藻外周天线FCP的纯化、结构及光谱结果。A, 假微型海链藻中的FCP主要为FCP二聚体与三聚体，纤细角毛藻中的FCP主要为FCP二聚体、四聚体和五聚体；B-E, FCP二、三、四、五聚体的冷冻电镜结构（叶绿素a：绿；叶绿素c：紫；岩藻黄素：黄；硅甲藻黄素：蓝）；F, FCP二、三、四、五聚体的室温吸收光谱结果; G-K， FCP二、三、四、五聚体的圆二色谱结果依次呈现出红移。
中国科学院植物研究所博士生周萃萃、已毕业博士生冯岳和在读博士生李振华为本文共同第一作者，王文达研究员、沈建仁研究员和刘成副研究员为本文通讯作者，匡廷云院士、韩广业研究员和中国科学院物理研究所王玉梅副研究员等参与了该研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导专项、黄河三角洲农业高新技术产业示范区科技专项、中国科学院青促会和基础研究领域青年团队计划等项目资助。
