傳奇:從硅藻到葉綠素c
蘇軾在《前赤壁賦》中寫道:“寄蜉蝣于天地,渺滄海之一粟。”如果你拿出一滴海水放在顯微鏡中,你會看到一個生機勃勃的微觀世界。硅藻,就是仿佛如此微不足道,卻在海洋光合作用中起主導地位的生存強者。
硅藻作為單細胞真核生物,一般只有2微米到200微米,只有少數門類可以達到毫米級,所以在18世紀之前,人們甚至都不知道它們的存在。但硅藻的演化之路絕對是史詩級的——二次內共生。
硅藻絕對是演化史中的“卷王”,也許是為了防御,硅藻還演化出了厚實的“裝甲”——它們學會了利用二氧化硅,沒錯,你可以理解成它們給自己裝上了頗為現代化的玻璃外殼。很多硅藻可以在有性生殖和無性生殖之間切換:平時進行無性生殖,然而由于其奇特的增殖方式,子代細胞會越來越小;在細胞小于一定閾值時這些硅藻則啟動有性生殖。硅藻的祖先中有一支又另辟蹊徑,演化出了多細胞的藻類,演化出巨大體型的褐藻,比如我們日常食用的海帶。
正因為如此,李小波此前主要在國外從事萊茵衣藻光合作用的研究,但加入西湖大學之后逐漸認識到硅藻的獨特性,決定將硅藻光合作用作為實驗室一個重要的研究方向。李小波團隊將目光投射到硅藻的捕光機制上,含有葉綠素c的捕光復合體的吸收光譜不同于陸地植物的捕光復合體,可以更高效地吸收水域中豐富的藍綠光,這可能是各種真核藻類廣泛采用葉綠素c的原因。
光合作用極其復雜,人類目前還不能完全解密,就葉綠素的種類與合成研究來說,也是走過了一段漫長的彎路。目前認為產氧光合生物主要含有五種類型的葉綠素:葉綠素a, b, c, d, f,其結構與合成路徑各有不同。
與其他天然產物一樣,葉綠素生物合成的每一步驟依賴于酶的催化,而每個酶有一個或多個基因編碼。每種葉綠素生物合成通路的解析將使得該葉綠素在其他物種中的應用成為可能。
李小波團隊開始了尋找葉綠素c合成酶的道路。
“這是一篇非常有趣的文章,首次記錄了一種對當代水生生物光合作用至關重要的酶的活性和物種分布。文章所描述的葉綠素c合成酶的基因突變、突變體回補和生化活性研究令人信服。”審稿人對李小波團隊的成果評價道。
結合Tara Oceans全球海洋生物調查數據,研究團隊發現CHLC同源基因廣泛分布于全球海洋。在系統演化分析中,團隊發現不含葉綠素c的生物(包括紅藻)缺乏CHLC同源基因;而含有葉綠素c的定鞭藻、甲藻和隱藻均具有該基因。然而,與硅藻親緣關系更近、同樣含有葉綠素c的褐藻卻缺乏該基因,這表明褐藻可能采用未知的、獨立演化出的酶來合成葉綠素c。這一結果也表明現在的光合作用機制演化學說還有待修正。
下一步,李小波團隊將致力于解析硅藻含葉綠素c的捕光色素-蛋白復合體生物合成所需的全部基因,并將試圖在其他光合生物中重構該復合體,以拓寬該底盤生物的捕光光譜。此外,在光合生物中,海洋藻類的分子遺傳學研究遠滯后于陸地植物,然而它們卻具有多種獨特的生物過程,如無機細胞壁納米斑圖的形成。因此,李小波團隊一直為尋找海洋藻類宏觀和微觀現象的分子生物學解釋而努力。
西湖大學博士生蔣彥酉與助理研究員曹天駿為本文的共同第一作者;副研究員張歡、博士生楊雨青、博士生張靜宇參與了本項研究;特聘研究員李小波為本文通訊作者。項目的進行得到了西湖大學張驪駻研究員、西湖大學甄瑩研究員、中國科學院植物所王文達研究員、南京大學趙雪博士等的建議,并得到了西湖大學分子科學公共實驗平臺、西湖大學生物醫學實驗技術中心等的技術支持。西湖大學博士生尤婷婷、博士生毛卓、博士生劉潤洲、科研助理郭康寧、科研助理楊津在實驗過程或論文寫作過程中提供了幫助。項目資助來自于科技部重點研發項目、浙江省杰青基金、浙江省重點研發項目、國家自然科學基金委與西湖教育基金會。
(原標題:Science報道|西湖大學發現海洋光合作用關鍵色素合成酶)
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