微生物所合作首次揭示地衣共生藻光系统I的结构可塑性及环境适应机制

近日，中国科学院微生物研究所魏鑫丽团队与中国科学院生物物理研究所李梅团队合作，在Nature Communications上发表研究论文，首次报道了地衣共生绿藻——柯氏复球藻（Diplosphaera chodatii）光系统I（PSI）的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了该复合物在藻类向陆地环境适应过程中捕光天线尺寸缩减的结构基础，以及其应对高光、干旱等胁迫的潜在保护机制。

光合作用是植物利用光能合成有机物的基础生理过程，光系统I是其中最为高效的光能转化装置之一。已有研究表明，陆地植物的PSI天线系统通常小于水生藻类，这被认为是对陆地高光环境的适应。然而，天线尺寸如何缩减以及具体的保护机制尚不清楚。地衣作为真菌与藻类的共生体，是陆地生态系统中的先锋生物，其共生藻在进化上与早期登陆植物平行演化，可能面临相似的陆地环境胁迫。

研究团队从沙漠地衣石果衣（Endocarpon pusillum）中分离获得柯氏复球藻，发现其PSI复合物存在至少四种不同形式，结合LHCI天线蛋白数量不一，并通过冷冻电镜技术解析了这四种PSI复合物结构。其中最为完整的DcPSI-8LHCI复合物包含13个核心亚基和8个Lhca天线蛋白，呈三层带状排列——包含Lhca四体的内层天线带、Lhca二体的外层天线带和Lhca二体的侧层天线带。与模式绿藻莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的PSI-10LHCI相比，柯氏复球藻PSI缺失了外层的两个Lhca蛋白；而与陆地植物PSI相比，则多出外层和侧层共四个Lhca亚基。这一天线配置处于水生藻类与陆地植物之间的“过渡态”。研究进一步发现柯氏复球藻PSI天线具有高度可塑性，并有着独特的且趋同于陆地植物的色素特征，这些特征可能构成了一套应对高光、干旱等陆地胁迫的结构性适应策略，暗示柯氏复球藻与陆地植物在适应陆地环境过程中存在趋同进化。

综合以上发现，研究团队提出了绿藻PSI天线缩减的渐变模型（图1）：在适应陆地环境过程中，藻类首先丢失外层两个Lhca (Lhca1-a4)，随后失去外层Lhca5-a6二体，最后失去侧层Lhca2-a9。该研究为理解光合生物从水生向陆生环境过渡过程中光系统的进化适应提供了重要的结构生物学证据，也为地衣共生藻在极端环境下的生存机制提供了新见解。

中国科学院生物物理所苏小东副研究员为论文第一作者，微生物所魏鑫丽项目研究员和生物物理所李梅研究员为论文共同通讯作者，微生物所科研助理刘志强，生物物理所史利芳和赵学琳参与了本研究。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国载人航天工程空间应用系统等项目的支持。

图1. 沙漠强光下石果衣共生藻被共生菌菌丝包裹，在适应陆地环境过程中与高等植物谱系趋同，据此推测的捕光天线缩减策略示意图

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77656-0