海南大学发现海洋微藻“光利用”与“光损伤”平衡调控机制

海南大学发现海洋微藻“光利用”与“光损伤”平衡调控机制

  碳排放已成为制约我国经济持续发展、影响国家安全的重大瓶颈。与以物理封存与化学吸收为基础的碳捕获技术相比,以微藻为代表的光驱固碳体系具有明显的优势。作为地球上最主要的初级生产者,藻类通过光合作用,将光能和二氧化碳转化为化学能,贡献了海洋初级生产力的95%和全球初级生产力的近50%,在生物圈碳循环和生态平衡过程中扮演着重要的角色。近日,海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室、海洋学院在海洋微藻光合机制研究取得重要进展,发现了一种崭新的基于光系统I捕光天线的“光利用”与“光损伤”平衡的调控机制。该研究成果于1月29日在线发表于Nature Communications。

海洋微藻“光利用”与“光损伤”平衡调控机制

海洋微藻“光利用”与“光损伤”平衡调控机制

捕光天线是自然界中捕获光能、固定二氧化碳最主要的蛋白质分子机器。为了最大程度地利用太阳能并防止过剩光能造成光损伤,微藻进化出了多样的遗传机制和复杂的表型可塑性。在高度变化的海洋环境中保持这种平衡具有极高的挑战性。能量的捕获(阳光)及其使用(通常是碳固定和新陈代谢)受多种连续变化的参数(例如日射率,温度条件和养分)的影响。真核藻类的光捕获复合物(LHC)中已演化出巨大的结构和功能多样性,从而实现在各种光照条件下的光捕获与光保护的平衡(Qin et al.,Nature Plant 2019;Wang et al.,Science 2019)。RL系真核藻类(red lineage)起源于一次内吞红藻或多次内吞事件,它们具有称为LHCR的叶绿素a结合蛋白,该系统代表了在红藻中进化形成并通过继发性内共生而获得的古老的天线蛋白形式。然而LHCR复合体的功能和调节机制一直是科学界的未解之谜。

海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室、海洋学院环境微生物团队以海洋微拟球藻(Nannochloropsis oceanica)为模式,通过定向进化、蛋白质组等分离并表征了一株名为hlr1的LHCR突变体。HLR1缺失减弱了PSI的光捕获能力,但提高了对强光(HL)的耐受力。进一步的研究表明,突变体对HL耐受性的提高归因于光系统I(PSI)的变化,使其不易产生活性氧,从而限制了氧化损伤,进而有利于其HL下的生长。同时,该蛋白具有广泛的进化分布和相对保守功能,在光保护与光利用之间的动态平衡过程中起到关键的作用。相关机制的发现为开发调控“光利用”与“光损伤”平衡的合成生物学方法提供了理论支撑。

该研究获得了国家科学基金(32060061)、自然资源部海洋经济创新发展示范项目(HHCL201803)、南海海洋资源利用国家重点实验室开放课题(MRUKF2021003)、海南省自然科学基金高层次人才项目(2019RC033)、海南大学科研启动经费(KYQD1561)和海南省委“南海名家”青年学者等项目的支持,海南大学作为第一单位,由南海国重、海洋学院路延笃教授联合美国劳伦斯伯克利国家实验室分子生物物理学和生物影像中心、伯克利大学、霍华德休斯医学研究所等完成,并得到中国科学院青岛生物能源与过程所徐健研究员、河南大学张立新教授和中国科学院植物所杨文强研究员等的帮助。

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