［本站讯］近日，微生物改造技术全国重点实验室张玉忠教授团队与国内外团队合作，在Science Advances杂志在线发表了题为“Architecture and energy transfer of coccolithophore photosystem I with a huge light-harvesting antenna system”的研究论文。张玉忠教授、山东大学教授赵龙生、英国利物浦大学教授刘鲁宁、华中农业大学教授高军、中国科学院物理研究所教授翁羽翔为该论文的共同通讯作者。山东大学博士后孙晓梦、中国海洋大学副教授李康为并列第一作者，山东大学微生物改造技术全国重点实验室为第一完成单位和通讯作者单位。该研究解析了颗石藻Emiliania huxleyi光系统I-捕光复合物I（PSI–LHCI）超大复合体的精细三维结构，揭开了其庞大光合天线系统的组装、能量传递和进化奥秘。

在浩瀚海洋中，单细胞颗石藻在全球碳循环和气候变化中具有重要生态功能，其显著特征为细胞表面覆盖碳酸钙构成的颗石粒。它们通过光合作用及颗石壳的碳沉积作用影响全球碳循环。颗石藻能够在全球海洋中广泛分布，其高效的光合适应机制是关键。

颗石藻PSI-LHCI复合体结构尺寸巨大（310×255×100 ų），分子量高达1.54MDa。35个捕光天线高度有序排列，形成独特的性纤维状结构，极大地扩展了光捕获的面积。外层捕光天线的相似结构及延长的loop为超大规模天线系统的构建提供了结构基础。

图1 颗石藻PSI–LHCI超复合体的整体结构

颗石藻捕光天线系统色素含量异常丰富，包含700多个色素分子。其中，叶绿素c和类胡萝卜素的比例显著高于其他藻类，帮助其高效吸收海洋中穿透力强的蓝绿光，适应海洋真光层下部的弱光环境，是其广泛分布并常形成大规模水华的重要基础。拥有如此庞大的天线和色素网络，能量能否有效传递是核心问题。研究显示能量主要沿着天线蛋白“纤维”路径，通过精致排列的叶绿素分子高效汇聚至核心，仅需约62皮秒。捕光复合物的独特排布及大量色素保证了庞大系统内能量传输的高效性。

图2 颗石藻PSI–LHCI超复合体的能量传递

结构比较分析结合序列进化分析，本研究支持质体编码的颗石藻PSI核心起源于隐藻的PSI核心，核基因编码的颗石藻捕光天线起源于不等鞭藻。这种“嵌合”式进化，展现了生命在演化过程中环境适应策略的多样性。

该成果揭示了颗石藻超大PSI–LHCI复合体的精密构造与高效工作机理，阐明了其适应深海弱光环境的独特策略，推进了光合作用基础研究，为未来设计新型高效人工光合系统或改良作物光能利用提供了珍贵的结构蓝图和进化启示。

张玉忠教授研究团队长期从事海洋藻类比较光合作用与进化的研究，成果发表在Nature Plants（2020, 6: 869）、PNAS（2024, 121:e2413678121）、Nature Communications（2024,15:2392; 2024, 15:4999）、The Plant Cell (2023, 35: 2449）、Plant Physiology（2022, 190: 1883）。

该论文由山东大学、中国海洋大学、英国利物浦大学、华中农业大学和中国科学院物理研究所相关学者合作完成，该研究得到了国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划等项目的资助。