科学家解决了使蓝藻在弱光下茁壮成长的结构问题

大学公园,爸爸。-科学家已经确定了蛋白质复合物的结构，使蓝藻细菌有独特的能力将微弱的过滤阳光转化为可用的能量。他们的发现有一天可能会被用于培育在弱光条件下茁壮成长的农作物。

地球上到处都有微小的能进行光合作用的生物体，蓝藻帮助创造了地球上富含氧气的大气，并继续为我们提供生存所需的大量氧气。

“当蓝藻细菌生活在低照度的环境下,比如在池塘的表面或者在森林地面上的落叶,有些人能从使用可见光最有利于其生长和光合活动收获较弱,远红外的阳光过滤扔给了他们,”唐纳德•布莱恩特说,生物技术教授欧内斯特·c·波拉德,宾夕法尼亚州立大学。“这种新奇的能力使蓝藻比其他生物具有更强的适应能力，这也是蓝藻在地球上进行大量光合作用的原因之一。”

在这项研究中，包括亚利桑那州立大学应用结构发现生物设计中心的研究人员在内的研究小组调查了热裂藻，一种陆地上的蓝细菌，以前被用作光合作用研究的模式生物。像所有种类的蓝藻一样，F. thermalis富含叶绿素，这种色素负责吸收光线。根据Bryant的说法，最近的研究表明，f. thermalis通常的叶绿素补充，称为叶绿素a，在远红光条件下部分被一种紧密相关，但化学上截然不同的分子形式所取代，称为叶绿素f。

他说:“到目前为止，我们只能推测蓝藻细菌是如何转变成利用叶绿素f的，因为我们还没有获得有关光合作用机制的结构信息，从而无法了解到底发生了什么。”

为了理解这一现象，Bryant和他的同事们使用低温电子显微镜(Cryo-EM)来解决F. thermalis的光系统I的结构，这是所有光合作用生物中负责光合作用的两种蛋白复合物之一。低温电子显微镜可以在近原子尺度下测定生物分子结构。利用这种方法，研究人员能够观察到f . thermalis中叶绿素f分子的位置。具体来说，研究小组确定了这些叶绿素f分子可以结合并发挥作用的四个位点。

合成和将叶绿素8% f纳入他们的光系统I复合物,f . thermalis能够进行光合作用利用远红光高达近800纳米,”Chris Gisriel说,耶鲁大学的博士后参与这项研究的研究员在亚利桑那州立大学生物设计中心的应用结构的发现。

研究小组的发现发表在今天(2月5日)的《科学进展》杂志上。

Bryant说，在之前的研究中，他和他的同事们发现蓝藻细胞中的另一种蛋白质感知入射光的波长，当远红光超过可见光时，它会激活改良的光合作用装置的产生。

Gisriel补充说:“研究表明，大约25%的所有蓝藻细菌，包括常见的土壤生物，都有这种能力。这可能意味着地球上很大一部分——大约八分之一——的氧气来自具有这种适应性的生物体。”

该团队的发现为未来的应用提供了令人兴奋的可能性。例如，根据周围的光照条件，可以调整作物的光吸收特性。此外，两种作物可以同时种植，比如种植苜蓿这样的矮秆作物，就可以从玉米等长势较好的作物下面的荫蔽处提取远红光。这样一种策略可以使每单位面积的作物产量增加一倍。

其他作者包括生物化学和分子生物学副教授沈高忠;Vasily Kurashov，生物化学和分子生物学助理研究教授;约翰·高尔贝克是宾夕法尼亚州立大学的生物化学、生物物理学和化学教授。其他作者包括研究生张尚基;Dewight Williams，副研究员;佩特拉·弗罗梅(Petra Fromme)是亚利桑那州立大学(Arizona State University)应用结构发现生物设计中心(Biodesign Center for Applied Structural Discovery)的教授和主任。作者何明扬是宾州州立大学生物化学和分子生物学的研究生，现在是国立台湾大学生命科学的助理教授。

这项工作得到了美国国家科学基金会和亚利桑那州立大学应用结构发现生物设计中心的支持。其中一些研究也是在光合天线研究中心的赞助下进行的，光合天线研究中心是能源部资助的一个能源前沿研究中心。