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光系統(tǒng)I（Photosystem I，PSI）是執(zhí)行光合作用光反應(yīng)的一個(gè)重要的色素-蛋白復(fù)合體。它通過一系列復(fù)雜的色素網(wǎng)絡(luò)捕獲太陽能，并通過驅(qū)動(dòng)跨膜電子轉(zhuǎn)移從而將光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，被稱作自然界中zui的光能轉(zhuǎn)化裝置。目前，上已經(jīng)解析了原核生物藍(lán)藻PSI以及高等植物豌豆PSI的捕光色素蛋白復(fù)合體I（LHCI）高分辨率結(jié)構(gòu)，但關(guān)于紅藻等從原核生物向真核生物過渡的真核藻類的PSI高分辨率三維結(jié)構(gòu)研究還是一個(gè)空白。

中國科學(xué)院植物研究所研究員、中國科學(xué)院院士匡廷云與研究員沈建仁領(lǐng)導(dǎo)的研究組長期從事光合膜蛋白超大復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能研究。近期，研究組通過與清華大學(xué)教授、中科院院士隋森芳團(tuán)隊(duì)開展合作，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了紅藻PSI核心與捕光天線復(fù)合物（PSI-LHCR）的3.63 ？分辨率的三維結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，紅藻中存在2種PSI-LHCR結(jié)構(gòu)狀態(tài)，分別結(jié)合了5個(gè)和3個(gè)LHCR；與高等植物全部LHCI位于PSI核心一側(cè)不同的是，結(jié)合5個(gè)LHCR的紅藻PSI-LHCR的兩個(gè)額外LHCR蛋白位于相反一側(cè)，展現(xiàn)了與高等植物PSI-LHCI明顯不同的結(jié)構(gòu)，顯示了處于原始形態(tài)的紅藻PSI-LHCR的特征。研究表明，紅藻PSI核心既具備了藍(lán)藻PSI的部分特征，也帶有高等植物PSI的部分特征，證實(shí)了紅藻PSI是從原核生物向真核生物進(jìn)化的中間類型。研究人員還確認(rèn)了真核PsaO亞基在PSI中的位置和結(jié)合色素的情況，并確認(rèn)了紅藻LHCR中*的色素組成。

該研究不僅揭示了紅藻PSI-LHCR的*結(jié)構(gòu)和能量傳遞特征，顯示了紅藻PSI結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，以及PSI從原核生物向真核生物進(jìn)化過程中的結(jié)構(gòu)變化，對(duì)于闡明PSI的進(jìn)化和功能具有重要意義。這是該研究組繼2015年解析了高等植物PSI-LHCI高分辨率三維結(jié)構(gòu)之后的又一重要進(jìn)展。

該研究成果于4月9日在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）。清華大學(xué)博士研究生皮雄和植物所沈建仁研究組博士后田立榮為論文共同*作者，沈建仁和隋森芳為共同通訊作者，匡廷云參與了該研究的整體設(shè)計(jì)。該研究得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、前沿重點(diǎn)項(xiàng)目和院長基金的共同資助。(生物谷）