碳排放已成為制約我國經濟持續發展、影響國家安全的重大瓶頸。與以物理封存與化學吸收為基礎的碳捕獲技術相比，以微藻為代表的光驅固碳體系具有明顯的優勢。作為地球上最主要的初級生産者，藻類通過光合作用，将光能和二氧化碳轉化為化學能，貢獻了海洋初級生産力的95％和全球初級生産力的近50%，在生物圈碳循環和生态平衡過程中扮演着重要的角色。近日，我院路延笃教授團隊在海洋微藻光合機制研究取得重要進展，發現了一種嶄新的基于光系統I捕光天線的“光利用”與“光損傷”平衡的調控機制。該工作于1月29日在線發表于Nature Communications。

 捕光天線是自然界中捕獲光能、固定二氧化碳最主要的蛋白質分子機器。為了最大程度地利用太陽能并防止過剩光能造成光損傷，微藻進化出了多樣的遺傳機制和複雜的表型可塑性。在高度變化的海洋環境中保持這種平衡具有極高的挑戰性。能量的捕獲（陽光）及其使用（通常是碳固定和新陳代謝）受多種連續變化的參數（例如日射率，溫度條件和養分）的影響。真核藻類的光捕獲複合物（LHC）中已演化出巨大的結構和功能多樣性，從而實現在各種光照條件下的光捕獲與光保護的平衡（Qin et al., Nature Plant 2019; Wang et al., Science 2019）。RL系真核藻類（red lineage）起源于一次内吞紅藻或多次内吞事件，它們具有稱為LHCR的葉綠素a結合蛋白，該系統代表了在紅藻中進化形成并通過繼發性内共生而獲得的古老的天線蛋白形式。然而LHCR複合體的功能和調節機制一直是科學界的未解之謎。

 我院路延笃教授領銜的環境微生物團隊以海洋微拟球藻（Nannochloropsis oceanica）為模式，通過定向進化、蛋白質組等分離并表征了一株名為hlr1的LHCR突變體。HLR1缺失減弱了PSI的光捕獲能力，但提高了對強光（HL）的耐受力。進一步的研究表明，突變體對HL耐受性的提高歸因于光系統I（PSI）的變化，使其不易産生活性氧，從而限制了氧化損傷，進而有利于其HL下的生長。同時，該蛋白具有廣泛的進化分布和相對保守功能，在光保護與光利用之間的動态平衡過程中起到關鍵的作用。相關機制的發現為開發調控“光利用”與“光損傷”平衡的合成生物學方法提供了理論支撐。

 該研究得到了國家自然科學基金項目（32060061）、自然資源部海洋經濟創新發展示範項目（HHCL201803）、南海海洋資源利用國家重點實驗室開放課題（MRUKF2021003）、海南省自然科學基金高層次人才項目（2019RC033）、365英国上市官网在线科研啟動經費（KYQD1561）和海南省委“南海名家”青年學者等項目的支持。365英国上市官网在线為第一單位，由我院路延笃教授聯合美國勞倫斯伯克利國家實驗室分子生物物理學和生物影像中心、伯克利大學、霍華德休斯醫學研究所等完成，并得到中國科學院青島生物能源與過程所徐健研究員、河南大學張立新教授和中國科學院植物所楊文強研究員等的幫助。

文章鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-20967-1