新研究揭示小立碗蘚獨特PSI超分子復(fù)合物的精細(xì)結(jié)構(gòu)

綠色譜系植物從水生環(huán)境向陸生環(huán)境過渡的過程中，苔蘚植物作為**登陸的植物類群脫穎而出。苔蘚植物包括苔類、蘚類和角苔類。蘚類中的小立碗蘚（Physcomitrium patens，P. patens）作為重要的模式植物被廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域。

光系統(tǒng)I（Photosystem I，PSI）和光系統(tǒng)II（Photosystem II，PSII）是光合作用光反應(yīng)過程中負(fù)責(zé)光能捕獲、傳遞和轉(zhuǎn)化的兩個重要光合裝置，由核心復(fù)合物和外周捕光天線（Light-Harvesting Complex，LHC）兩部分組成。與綠藻和高等植物相比，小立碗蘚具有獨特和多樣的捕光天線組成以適應(yīng)不同的光環(huán)境變化。近年來的研究表明，小立碗蘚中至少存在三種不同天線尺寸的PSI，**尺寸的PSI（PpPSI-L）顯示出一種在高等植物和藻類中均沒有的獨特組成，對其結(jié)構(gòu)研究將為揭示早期植物對陸生環(huán)境的適應(yīng)提供重要線索。

7月20日，《自然-植物》（Nature Plants）發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所李梅課題組與首都師范大學(xué)潘曉偉課題組合作完成的題為Structural insights into the assembly and energy transfer of the Lhcb9-dependent photosystem I from moss Physcomitrium patens的研究論文。

該研究通過解析小立碗蘚來源的PSI超分子復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)并定位了組成該復(fù)合體的26個蛋白亞基——包括14個PSI核心蛋白亞基，一個磷酸化的LHCII三體，一個小立碗蘚特有的天線蛋白Lhcb9以及兩層不平行排列的天線帶（每層天線帶分別由四個LHCI天線蛋白組成） 。基于結(jié)構(gòu)所確定的若干色素分子的位置、距離和取向，研究構(gòu)建了潛在的能量傳遞途徑并初步計算了傳遞速率。

結(jié)構(gòu)分析確定了Lhcb9和磷酸化LHCII在穩(wěn)定復(fù)合物中的重要作用。此外，研究發(fā)現(xiàn)該超分子復(fù)合體內(nèi)外層天線帶的LHC白組成及排列順字均相同，且PpPSI-L具有內(nèi)部靈活性。該復(fù)合物中的LHCII三聚體和外層的LHCI天線帶相對于核心復(fù)合物分別向基質(zhì)側(cè)和腔側(cè)傾轉(zhuǎn)，使該復(fù)合物在跨膜區(qū)呈現(xiàn)不連續(xù)的曲率。這些結(jié)構(gòu)特征提示小立碗蘚中不同PSI形式可能共享相同模塊，使其在不同組成形式之間快速轉(zhuǎn)換，這一特性利于小立碗蘚PSI在不同光照條件下的動態(tài)調(diào)節(jié)。該研究為闡明植物從水生向陸生演化過程中PSI結(jié)構(gòu)的變化提供了重要線索，為光系統(tǒng)的動態(tài)組裝過程和能量傳遞過程提供了重要依據(jù)，并為探討植物光適應(yīng)和光保護機制的多樣性提供了重要信息。

研究工作得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和生物大分子國家重點實驗室開放基金的資助。小立碗蘚原始材料由首都師范大學(xué)提供。數(shù)據(jù)收集和樣品分析等工作得到生物物理所生物成像中心、蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺及中國科學(xué)院植物研究所光生物學(xué)重點實驗室儀器平臺等的幫助。

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