生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院呂頌輝/崔磊團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表重要研究成果 揭示海洋赤潮生物獨(dú)特光適應(yīng)機(jī)制
暨南大學(xué)融媒體中心訊 近日，暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院呂頌輝/崔磊團(tuán)隊(duì)在海洋赤潮領(lǐng)域取得最新進(jìn)展，研究成果以“Mechanisms of light harvesting complex proteins in photoprotection of the brown tide alga”為題，發(fā)表于Nature Communications上。論文首次揭示了海洋微型藻類(lèi)通過(guò)其光捕獲復(fù)合蛋白中的兩個(gè)谷氨酸殘基，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)度變化的高效響應(yīng)與光保護(hù)機(jī)制，在分子層面上為赤潮暴發(fā)的生態(tài)學(xué)機(jī)理研究開(kāi)辟了新途徑。
我國(guó)是繼美國(guó)和南非之后第三個(gè)發(fā)生“褐潮”有害藻華的國(guó)家。其原因種抑食金球藻（Aureococcus anophagefferens）能在光線(xiàn)微弱又變化劇烈的河口海域迅速繁殖，形成大規(guī)模的褐潮，導(dǎo)致養(yǎng)殖貝類(lèi)大量死亡，給我國(guó)漁業(yè)帶來(lái)數(shù)以?xún)|元計(jì)的直接經(jīng)濟(jì)損失，并嚴(yán)重破壞海洋生態(tài)環(huán)境。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)褐潮頻繁發(fā)生的我國(guó)秦皇島海域進(jìn)行長(zhǎng)期生態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)這種藻類(lèi)具有強(qiáng)大的光適應(yīng)能力。它們不僅能高效利用弱光，還能在強(qiáng)光下啟動(dòng)“光保護(hù)機(jī)制”，避免光損傷。
抑食金球藻的光環(huán)境生態(tài)分布特征
本研究發(fā)現(xiàn)這種褐潮生物具有11個(gè)特殊的光捕獲復(fù)合蛋白，且都含有兩個(gè)保守的谷氨酸殘基。這兩個(gè)氨基酸位于類(lèi)囊體腔側(cè)，像是一對(duì)“光感應(yīng)開(kāi)關(guān)”：在弱光下，它們保持靜默；當(dāng)光線(xiàn)增強(qiáng)，類(lèi)囊體腔內(nèi)變酸，這兩個(gè)谷氨酸被質(zhì)子化，引發(fā)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而啟動(dòng)非光化學(xué)淬火（NPQ），將多余光能轉(zhuǎn)化為熱量釋放，保護(hù)光合系統(tǒng)不受損害。
抑食金球藻及其他藻類(lèi)的光捕獲蛋白（LHCs）的系統(tǒng)發(fā)育、進(jìn)化和序列特征
研究團(tuán)隊(duì)將含有這兩個(gè)谷氨酸的蛋白基因轉(zhuǎn)入模式硅藻中跨物種表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)入正?；虻脑孱?lèi)在強(qiáng)光下NPQ顯著增強(qiáng)，生長(zhǎng)更好；而將谷氨酸突變后，這一優(yōu)勢(shì)消失，證實(shí)了這兩個(gè)氨基酸在光保護(hù)中的關(guān)鍵作用。此外，通過(guò)體外純化蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析與分子動(dòng)力學(xué)模擬，同樣驗(yàn)證了這類(lèi)關(guān)鍵蛋白的調(diào)控功能特征。
體外純化光捕獲蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)特征與響應(yīng)調(diào)控機(jī)制
分子動(dòng)力學(xué)分析光捕獲蛋白關(guān)鍵調(diào)控位點(diǎn)的響應(yīng)特征
研究結(jié)果闡明該藻華生物不僅擁有62個(gè)光捕獲蛋白基因（遠(yuǎn)超多數(shù)藻類(lèi)），能高效捕獲弱光；并通過(guò)其中含有類(lèi)囊體腔側(cè)谷氨酸的蛋白，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)波動(dòng)的高效響應(yīng)。這種“雙保險(xiǎn)”機(jī)制，使抑食金球藻能夠在光線(xiàn)多變的沿岸水域中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，成為褐潮暴發(fā)的“幕后推手”。研究不僅揭示了藻華生物的光適應(yīng)分子機(jī)制，也為理解海洋微藻在復(fù)雜光環(huán)境中的生存策略提供了新思路。
暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院崔磊副研究員與博士研究生謝磊為本文共同第一作者，呂頌輝教授、崔磊副研究員、董悅鐳副研究員與康涅狄格大學(xué)林森杰教授為本文共同通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（42176142、41906111、41806127）和廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023B1111050011）等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66000-7
責(zé)編：陳國(guó)瓊