英国利物浦大学刘鲁宁团队与山东大学张玉忠团队合作揭示快速生长蓝藻天然光合膜结构及其环境适应

高等植物、真核藻类及原核蓝藻的光合作用依赖于光合膜上多种大分子光合复合物的精密协作，包括光系统I（PSI）、光系统II（PSII）、细胞色素b6f复合体（Cyt b6f）、ATP合成酶（ATPase）、type-I NADH脱氢酶（NDH-1）等。光合膜上光合复合物的含量、结构状态、排布模式以及相互作用与光合效率密切相关，是光能转化的结构基础。

蓝藻能够快速生长、高效转换能量及积累生物质，并且可进行遗传改造，因此蓝藻在可再生能源及清洁能源领域的应用具有独特的优势。快速生长生态型蓝藻Synechococcus elongatus 2973（Syn2973）的生长速度是同种模式蓝藻Syn7942的三倍，可媲美工业菌株。Syn2973的快速生长依赖于高效的光合作用，其光合效率是Syn7942的两倍，能够更加高效的转化利用光能。然而，目前缺乏对Syn2973光合膜高效转化光能的超分子结构基础的研究。

近日，英国利物浦大学刘鲁宁教授团队与山东大学微生物技术国家重点实验室张玉忠教授团队等合作在Plant Physiology杂志在线发表了题为“Native architecture and acclimation of photosynthetic membranes in a fast-growing cyanobacterium”的研究论文。该研究利用高分辨率原子力显微镜技术观察了Syn2973光合膜的天然超分子结构及其对高光及缺铁的适应，阐明了Syn2973光合膜高效转化光能的超分子结构基础。

该研究发现，Syn2973光合膜上存在PSI的聚集区域以及PSII的阵列排布区域，形成区域隔离。PSII阵列与周围的PSI及NDH-1紧密相邻，为高效的光合电子传递提供了良好的结构基础。

该团队在前期工作中利用原子力显微镜已对Syn7942天然光合膜的结构进行了系统研究（Zhao et al., Nature Plants 2020, 6: 869-882）。与Syn7942相比，Syn2973光合膜在高光条件下含有更多的PSI，但不含有高光诱导蛋白IsiA，因此不形成IsiA-PSI超复合物。PSI的增多能够更有效的利用来自上游的电子，提高了电子传递及光能转换的效率。IsiA蛋白的未表达也说明电子传递的高效性，未形成多余的电子累积，产生活性氧，诱导IsiA蛋白表达。

缺铁条件下，Syn2973光合膜上PSI含量减少，并且形成了IsiA-PSI超复合物，并且具有结构上的多样性，与Syn7942相似。研究还发现，高光及缺铁条件下，NDH-1复合物的含量均升高，并且与PSI形成紧密相互作用，促进了环式电子传递，减少光损伤。

文章还首次报道了在同一个类囊体膜表面上存在有正常朝向以及“上下颠倒”的PSI复合物，说明天然光合膜蛋白复合物在聚集和膜组装的过程中存在异质性和一定程度的随机性。目前对这种不同朝向的PSI复合物在类囊体膜上的组装机制和功能尚不清楚。

综上，该研究揭示了不同环境中Syn2973光合膜的异质性及光合装置的适应性。研究结果可以加深我们对高效光合作用的理解，为改造提高植物的光合效率，增加生物量及粮食产量以及构建高效人工光合膜，生产清洁能源提供理论基础。

该论文由山东大学、英国利物浦大学、中国海洋大学、青岛海洋科学与技术试点国家实验室和河南大学等单位相关学者合作完成，山东大学微生物技术国家重点实验室博士后赵龙生为第一作者，刘鲁宁教授与赵龙生博士后为该论文的共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiac372

转自： 植物生理PlantPhysiol

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