吸收远红光的裸藻类 PSI–LhcE–LhcbM 超复合体的结构与能量传递

一种会变形的藻类如何在微弱光中挤出更多能量

裸藻（Euglena gracilis）是一种微小且柔性的藻类，既能像植物一样进行光合作用，也能像动物一样摄食。它常生活在光线昏暗、经过过滤的池塘和水洼中，那里的明亮可见光大多已被其他生物吸收。该研究揭示了裸藻如何改造其主要的光捕获装置之一，使其能够利用远红光——即大多数绿色植物无法利用的波段——这为提高作物及人工光合系统的效率提供了线索。

由两条谱系共同构建的特殊太阳能面板

作者将注意力集中在裸藻的一个关键光捕获机器——光系统 I（PSI）上。在植物和藻类中，PSI 位于内部膜上，将光能引导到细胞的产能化学反应中。研究团队利用高分辨率冷冻电镜解析出裸藻大型 PSI 超复合体的三维结构。该超复合体将一个精简的 PSI“核心”与一个过大的光收集环（由 LhcE 和 LhcbM 构成）配对。这样的排列反映了裸藻不同寻常的演化史：它很久以前吞噬过一个绿色藻体获得叶绿体，随后又从红系藻类获得了附加基因。结果形成了一个嵌合的机器，其布局和色素与常见绿色植物显著不同。

围绕极简核心的超大天线

与其他绿色藻类的 PSI 相比，裸藻的 PSI 核心丢失了若干外部亚基，使其在基因层面上成为已知最小的此类核心。然而，在这一精简中心周围，却存在一个异常庞大的天线系统：由 15 个光捕获复合体组成，排列为三个单元和六个成对单元。大多数天线蛋白属于名为 LhcE 的家族，且在一侧有一对紧密结合的 LhcbM 单元。天线形成近似对称的成对结构，分两层环绕核心，构成一层致密的色素壳。这种结构不同于绿色植物和许多藻类中更规则的“带状”天线，似乎经过微调以在保持与核心高效耦合的同时尽可能紧密地容纳色素。

定制色素与红移的叶绿素对

在这一环内，团队鉴定出数百个叶绿素分子和数十种类胡萝卜素色素。裸藻的天线蛋白使用一种不寻常的类胡萝卜素——二亚硝黄质（diadinoxanthin），这在红系藻类中常见但典型绿色植物中缺失。更引人注目的是，许多天线单元含有特殊的叶绿素 a 对和簇，其周围环境微妙地扭曲了它们的构型与间距。这些微观调整将它们的吸收推向远红区，超出大多数植物天线的可用范围。在成对的 LhcE 单元中，两个这样的红移叶绿素对紧密位于伙伴间的接口处，且额外的色素准确定位在天线接触核心的部位。共同作用下，这些特征形成了低能“汇”位点，特别擅长捕获并滞留远红光。

通过巨大的色素网络构建的快速能量高速路

为了弄清能量如何实际流动，研究者基于详尽的结构进行了计算机模拟。他们对激发色素将能量传递给邻近色素的速率进行了建模，覆盖整个超复合体。该网络表现得像一条多车道高速公路：外层天线单元吸收的能量迅速通过关键叶绿素对和桥连色素引导到 PSI 核心，通常在皮秒（10 的负12 次方秒）量级完成。不同组合的天线模块通过部分独立的路径向核心供能，但都依赖一小组策略性放置的叶绿素，这些叶绿素在天线—核心接口处形成紧密耦合。这种设计使裸藻即便使用接近有用太阳光边缘的远红型叶绿素，也能保持非常快速且低损耗的能量传递。

进化捷径与未来可能性

这项研究将裸藻的 PSI 描绘为光捕获方面的一个进化实验。通过精简核心、重排天线蛋白、引入通常仅见于红藻的类胡萝卜素，并重塑叶绿素的结合位点，裸藻构建了一个紧凑但强大的远红光收集器。对非专业读者而言，关键结论是：光合机械比人们曾认为的更具可塑性——其骨架、色素和能量通路可以被进化重新设计以利用太阳谱的新片段。理解这些策略可为未来设计能更好利用昏暗或红移光的作物、藻类或人工系统提供指导，从而扩大我们从太阳收集能量的地域与效率。

引用: Li, K., Qin, BY., Zhang, YZ. et al. Structure and energy transfer of a far-red–absorbing euglenophyte PSI–LhcE–LhcbM supercomplex. Nat Commun 17, 3273 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70067-1

关键词: 光系统 I, 裸藻（Euglena gracilis）, 远红光, 光捕获复合体, 质体进化