光合作用是将光能有效转化为有机物中的稳定化学能的主要过程。它在为几乎所有生命形式提供必需的食物和营养物质，以及维持大气中的碳氧平衡方面起着至关重要的作用。光系统I（PSI）是一个多亚基的色素-蛋白复合体，嵌入在类囊体膜中，与光系统II（PSII）一起，负责捕获并传递光能，以驱动光合作用的电子传递。在光合真核生物中，PSI核心被光合色素蛋白复合体I（LHCI）包围，形成PSI–LHCI超复合体，增加了光捕获的横截面，并提高了光能利用的效率。尽管PSI–LHCIs在光合作用中具有共同作用，但在不同的氧气光自养生物中，PSI–LHCIs的结构表现出显著的差异，特别是在LHCIs的数量、排列、蛋白质组成和色素结合方面。这种生态系统中的生物多样性表明，氧气光自养生物能够适应环境变化，这伴随着PSI核心和相关LHCI的相互作用及协同进化。
哈普藻是一个重要的单细胞海洋浮游植物群体，在作为初级生产者方面发挥着至关重要的作用，并对海洋生态系统和全球生物化学平衡产生深远影响。此外，哈普藻被认为是光合自养生物中最古老的谱系之一，推测其起源时间在19.43亿至5.79亿年前之间。核基因组分析表明，哈普藻在吞噬金藻过程中获得了许多金藻的基因。此外，叶绿体基因分析强烈支持了加密藻-哈普藻叶绿体单系的概念。这意味着哈普藻可能吞噬了祖先的加密藻叶绿体。哈普藻被认为在理解光合浮游植物的进化方面具有重要意义。哈普藻、加密藻、金藻（包括硅藻）和甲藻被认为来自单一的红藻来源的次级内共生。明确这些红藻谱系生物的光合作用和调控机制，将促进作者对其进化关系和多样性的理解。
迄今为止，已经报道了多种红藻谱系PSI–LHCI超复合体的结构，包括红藻PSI–LHCR、加密藻PSI–ACPI（全部黄质素-叶绿素a/c结合蛋白）、硅藻PSI–FCPI（富克黄质素-叶绿素a/c结合蛋白）和甲藻PSI–AcpPCI（叶绿素a/c-菱形色素蛋白复合体）。这些结构揭示了PSI核心的相对保守性，并以单体形式存在，偶尔会招募和丢失特定的亚基。相比之下，外周LHCs的数量和排列存在显著差异。PSI–LHCIs的结构变异揭示了它们在红藻谱系叶绿体进化中的特定位置和生理适应性。尽管有这些发现，哈普藻PSI–LHCI的精确结构尚未被确定。
在这项研究中，作者报告了通过冷冻电子显微镜（cryo-EM）以2.74 Å分辨率解析的哈普藻Isochrysis galbana的PSI–LHCI超复合体结构。I. galbana的LHCIs结合了富克黄质素这一主要类胡萝卜素和叶绿素（Chl）a/c，因此被命名为iFCPIs（富克黄质素-叶绿素a/c结合蛋白；“i”代表I. galbana）。结构揭示了单体PSI核心的组成、22个外周iFCPIs的独特排列以及一个先前未报道的连接蛋白。此外，作者还基于结构分析和计算模拟阐明了PSI–iFCPI超复合体内色素分子之间的激发能量转移路径。作者的研究不仅为理解哈普藻PSI–iFCPI的光捕获、转移和能量耗散机制提供了新的见解，也强调了红藻谱系PSI–LHCI结构的进化多样性。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2413678121
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