生物物理所等揭开光合作用“跷跷板”的秘密

在藻类和绿色植物中，存在光系统I（PSI）和光系统II（PSII）。它们的外周天线——捕光复合物I和II（LHCI和LHCII）能吸收光能并将能量传递给两个光系统，进而驱动光合作用电子传递和能量转换过程。中科院生物物理研究所李梅课题组、柳振峰课题组联合日本国立基础生物学研究所教授Jun Minagawa课题组，解析了莱茵衣藻（一种单细胞模式绿藻）PSI-LHCI-LHCII超复合物的高分辨率冷冻电镜结构。相关论文近日发表于《自然—植物》。

“在藻类和植物的光合作用中，存在一种类似于‘跷跷板’的分子动态过程，被称为状态转换调控。”论文通讯作者之一李梅说，“这种机制能调节捕光天线向两个光系统分配能量，使得二者的激发水平处于相对平衡的状态。”

当PSII被过度激发时，绿藻和植物PSII的捕光复合物LHCII被磷酸化，部分磷酸化LHCII三体与PSII解离并与PSI结合形成PSI-LHCI-LHCII超复合物，从而增加向PSI反应中心传递的能量，实现了激发能在PSII和PSI之间的平衡分配。

绿藻中的PSI-LHCI-LHCII超复合物比植物中相应的复合物更大更复杂，包含至少2个LHCII三体。在莱茵衣藻中，9个不同的LhcbM蛋白参与形成不同组成的LHCII三聚体，但具体是哪种LhcbM蛋白参与介导LHCII与PSI-LHCI复合物装配一直以来都不清楚，其能量传递途径也有待研究。

此次，研究人员解析了莱茵衣藻PSI-LHCI-LHCII超复合物的高分辨率冷冻电镜结构。基于高质量电镜密度图，研究人员准确指认了参与构成该超复合物的磷酸化LHCII中的全部LhcbM蛋白。“该项研究的亮点在于发现绿藻中一个特定的捕光蛋白LhcbM5参与捕光复合物LHCII与PSI的装配，并在状态转换中发挥重要作用。”李梅说。

该研究对深入理解不同亚型的捕光蛋白在光合作用及其调节过程中的特定生物学功能具有重要意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00960-8

（原载于《中国科学报》 2021-08-13 第4版 综合）