研究背景与意义 - 颗石藻是海洋主要浮游植物，在白垩纪达到鼎盛，在海洋碳沉积和全球碳循环中扮演重要角色[2] - 颗石藻能适应海水不同深度的多变光环境，其高效光合自养生长可助快速繁殖，但微观机理和进化机制此前不清楚[2] - 光系统I（PSI）是类囊体膜中至关重要的色素蛋白复合物，驱动电子转移以固定二氧化碳，将光能转化为化学能的量子效率几乎达到100%[7] 研究突破与发现 - 研究团队首次纯化并解析了来自赫氏艾米里颗石藻的光系统I-岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白（PSI-FCPI）超级复合物三维结构，分辨率达2.79Å[3][8] - 该单体超级复合物包含12个PSI核心亚基、1个特异的腔连接蛋白（EhLP）以及38个外周Eh-FCPI天线蛋白[9] - 复合物共含411个叶绿素a、152个叶绿素c、256个类胡萝卜素和若干其他配体，构成迄今已知最大的PSI-天线超复合物[9] - 系统发育分析表明16个Lhcq类Eh-FCPI为赫氏艾米里颗石藻特有，10个Lhcr、1个Lhcf、1个RedCAP和10个Lhcq类Eh-FCPI与红藻或硅藻中对应蛋白相似[9] - 38个Eh-FCPI以辐射状排列形成8个条带状簇，环绕于PSI核心周围，结构中鉴定出4种叶绿素c和4种岩藻黄素衍生物，构成复杂色素网络[9] - 高含量叶绿素c和岩藻黄素使其具备快速动力学特性，可高效吸收蓝绿光与绿光，特别适合海洋环境[9] 性能与效率 - 通过飞秒瞬态吸收光谱测量发现Eh-PSI-FCPI的整体激发捕获时间为96~120皮秒，表明该超级复合物具有约95%的量子转换效率[10] - 尽管与陆生植物的PSI-LHCI相比，Eh-PSI-FCPI的捕光横截面扩大了4-5倍，但其95%的量子转换效率表明这是一个非常高效的光能转换系统[12] - 整个系统包含819个色素，以模块化方式排列成8个放射状排布的捕光天线条带，光能利用效率极高[12] 研究意义与应用 - 该研究首次在原子层面揭示了颗石藻通过扩展和优化其光系统结构来适应海洋光环境的独特策略[3] - 这是光合生物适应进化研究中的一个重大发现，展示了光合作用的进化多样性以及对光的终极追求[3][7] - 研究成果于2025年9月11日发表在Science期刊并被选为当期封面论文[2]

研究突破 - 首次在原子层面揭示颗石藻通过扩展和优化光系统结构适应海洋光环境的独特策略[1] - 破解颗石藻光系统复合物高效利用光能的分子机制[1] - 研究成果以封面形式发表于国际知名学术期刊《科学》[1] 复合物结构特征 - 颗石藻PSI-FCPI超级复合物由51个蛋白亚基和819个色素分子组成[2] - 分子量高达1.66兆道尔顿[2] - 捕光截面是典型陆地植物光系统I超级复合物的4至5倍[2] 能量转化效率 - 捕获光能的量子转化效率超过95%[2] - 与陆地植物光系统I超级复合物效率相当[2] - 通过大量叶绿素c与叶绿素a形成紧密能量耦联消除能量陷阱[4] 捕光机制创新 - 光系统I核心周围环绕38个岩藻黄素叶绿素a/c结合蛋白捕光天线[2] - 以模块化方式排列成8个放射状排布的捕光天线条带[2] - 新型捕光天线能有效吸收460-540纳米波长的蓝绿光和绿光[4] 应用潜力 - 为理解光合生物高效能量转化机制提供新结构模型[1] - 可指导设计新型光合作用蛋白[1] - 在合成生物学和气候变化应对领域具有巨大潜力[1] 生态意义 - 颗石藻是海洋初级生产力的主要贡献者[4] - 在海洋碳沉积和全球碳循环中扮演重要角色[4] - 其碳酸钙外壳在地层中留下显著的"白垩"痕迹[4]