天博破解百年难题，西湖大学新发Science—新闻—科学网
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发表时间:
2024-05-17
生命发源在海洋。地球上的氧气约有一半由海洋光互助用所孕育发生。而叶绿素是光互助用光能捕获与化学能孕育发生所需的要害份子。
海洋之中，阳光不会普照，光合生命进化出繁杂的捕光机制。 例如，只管海洋真核藻类于巨细、颜色以及形态上各不不异，但它们的捕光色素-卵白复合体中年夜多接纳了一种陆地动物所缺少的、名为叶绿素c的份子。 北京时间2023年10月6日，西湖年夜学生命科学学院李小波团队于Science揭晓题为 A chlorophyllcsynthase widely co-opted by phytoplankton 的文章，初次展现了叶绿素c合成酶编码基因及该酶作用机制，挖掘了叶绿素c的心理功效，会商了该基因的演化造成与转移。 叶绿素c在1864年由爱尔兰物理学家乔治 斯托克斯初次报导，其合成酶的发明解决了持久以来困扰海洋光互助用范畴的一个问题，并为海洋藻类捕光机制的合成生物学运用打开了一扇门。 论文链接： https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg7921
从藻类中提取的各种色素 苏轼于《前赤壁赋》中写道： 寄蜉蝣在六合，渺沧海之一粟。 假如你拿出一滴海水放于显微镜中，你会看到一个朝气勃勃的微不雅世界。硅藻，就是恍如云云眇乎小哉，却于海洋光互助用中起主导职位地方的保存强者。 硅藻作为单细胞真核生物，正常只要2微米到200微米，只要少数门类可以到达毫米级，以是于18世纪以前，人们以至都不知道它们的存于。但硅藻的演化之路绝对于是史诗级的 二次内共生。 今朝支流理论以为，一个异摄生命经由过程吞噬蓝细菌得到了光互助用的威力，演化出了绿藻与红藻，蓝细菌演化成为了叶绿体，这是人们常知的第一次内共生。而硅藻的先人，是彻彻底底桀的掠食者，它们吞噬了已经经具有细胞核与叶绿体的红藻，并获取了特定的红藻基因，这也被称为第二次内共生。 
显微镜下各类 奇特 的硅藻。图源：NOAA / wiki co妹妹ons 硅藻绝对于是演化史中的 卷王 ，或许是为了防备，硅藻还演化出了厚实的 装甲 它们学会了哄骗二氧化硅，没错，你可以理解成它们给本身装上了颇为现代化的博璃外壳。许多硅藻可以于有性生殖以及无性生殖之间切换：日常平凡举行无性生殖，然而因为其奇异的增殖体式格局，子代细胞会愈来愈小；于细胞小在必然阈值时这些硅藻则启动有性生殖。硅藻的先人中有一支又另辟蹊径，演化出了多细胞的藻类，演化出伟大体型的褐藻，好比咱们一样平常食用的海带。 正由于云云，李小波此前重要于外洋从事莱茵衣藻光互助用的研究，但插手西湖年夜学以后逐渐熟悉到硅藻的怪异性，决议将硅藻光互助用作为试验室一个主要的研究标的目的。李小波团队将眼光投射到硅藻的捕光机制上，含有叶绿素c的捕规复合体的接收光谱差别在陆地动物的捕规复合体，可以更高效地接收水域中富厚的蓝绿光，这多是各类真核藻类广泛接纳叶绿素c的缘故原由。 光互助用极为繁杂，人类今朝还不克不及彻底解密，就叶绿素的品种与合成研究来讲，也是走过了一段漫长的弯路。今朝以为产氧光合生物重要含有五品种型的叶绿素：叶绿素a, b, c, d, f，其布局与合成路径各有差别。 与其他自然产品同样，叶绿素生物合成的每一一步调依靠在酶的催化，而每一个酶有一个或者多个基因编码。每一种叶绿素生物合成通路的剖析将使患上该叶绿素于其他物种中的运用成为可能。 李小波团队最先了寻觅叶绿素c合成酶的门路。 
含叶绿素c藻类的多样性与生态功效示用意。作者：李小波试验室玻士生杨雨青。 患上益在世纪之交份子遗传学东西的年夜成长，各类叶绿素生物合成的共有步调或者特异步调所需基因已经被发明。例如，蓝细菌叶绿素f在2010年被报导，其合成酶编码基因在2016年即已经被剖析。而叶绿素c发明在159年前，它的合成酶编码基因则持久以来未被冲破。 为何叶绿素c合成机制的研究这么难？ 于真核藻类中，绿藻中的莱茵衣藻遗传学研究较多，然而绿藻不含有叶绿素c。硅藻、褐藻、定鞭藻、甲藻等含叶绿素c的门类于海洋固碳、海洋植物保存及栖息地的成立、海洋沉积物和赤潮的造成等主要生态历程中饰演着不成或者缺的脚色，此中的海带（褐藻）照旧人类喜爱的食品来历。然而这些藻类的遗传操作东西却相对于掉队。 
造就中的藻类。 硅藻类群中的模式物种三角褐指藻早于2008年就已经完成基因组测序，可是因为硅藻细胞通常是二倍体，即每一个细胞具备两套基因组，传统遗传学手腕很难同时粉碎基因的两个拷贝以测试其功效。但好动静是，最近几年来CRISPR基因编纂要领（2020年诺贝尔化学奖获奖结果）的前进使患上一个基因的两个拷贝同时被粉碎成为可能。 为了找到编码叶绿素c合成酶的基因，李小波团队从三角褐指藻基因组中按照各基因于差别生长前提下的表达程度差异，拔取了数十个候选基因，依次举行敲除了与表型检测。 此中一个候选基因的敲除了突变体出现出绿色表型，与野生型硅藻细胞的褐色外不雅造成光鲜对于比。色素阐发显示，该基因的突变体彻底遗失了叶绿素c，同时�첩，突变体中岩藻黄素（与叶绿素c处在统一色素-卵白复合体的黄色色素）的含量显著降低，是以突变体出现出比野生型更绿的颜色。于低光照前提下，该突变体体现出较着的生长劣势。 
叶绿素c合成酶突变体的发明。褐色为野生型，绿色雀斑为缺掉叶绿素c的突变体。 体外试验证明该基因编码的酶可以或许哄骗叶绿素生物合成路子中的常见前体间接合成叶绿素c，是以被定名为叶绿素c合成酶（Chlcsynthase），简称CHLC。该酶与其他叶绿素合成通路组分的底物特同性可以注释叶绿素c布局的怪异的地方。 
叶绿素c合成反映示用意。CHLC卵白哄骗一系列辅因子于底物（DVP）侧链上造成碳碳双键。 尾声：这象征着甚么？ 这是一篇很是有趣的文章，初次记载了一种对于今世水生生物光互助用至关主要的酶的活性以及物种漫衍。文章所描写的叶绿素c合成酶的基因突变、突变体回补以及生化活性研究使人信服。 审稿人对于李小波团队的结果评价道。 
叶绿素c合成酶编码基因同源基因的海洋漫衍示用意。Tara Oceans各采样站点都可发明同源基因。 联合Tara Oceans全世界海洋生物查询拜访数据，研究团队发明CHLC同源基因广泛漫衍在全世界海洋。于体系演化阐发中，团队发明不含叶绿素c的生物（包孕红藻）缺少CHLC同源基因；而含有叶绿素c的定鞭藻、甲藻以及隐藻均具备该基因。然而，与硅藻亲缘瓜葛更近、一样含有叶绿素c的褐藻却缺少该基因，这注解褐藻可能接纳未知的、自力演化出的酶来合成叶绿素c。这一成果也注解此刻的光互助用机制演化学说另有待批改。 下一步，李小波团队将致力在剖析硅藻含叶绿素c的捕光色素-卵白复合体生物合成所需的全数基因，并将试图于其他光合生物中重构该复合体，以拓宽该底盘生物的捕光光谱。此外，于光合生物中，海洋藻类的份子遗传学研究远滞后在陆地动物，然而它们却具备多种怪异的生物历程，如有机细胞壁纳米斑图的造成。是以，李小波团队始终为寻觅海洋藻类宏不雅以及微不雅征象的份子生物学注释而起劲。 西湖年夜学玻士生蒋彦酉与助理研究员曹天骏为本文的配合第一作者；副研究员张欢、玻士生杨雨青、玻士生张静宇介入了本项研究；特聘研究员李小波为本文通信作者。工程的举行获得了西湖年夜学张骊駻研究员、西湖年夜学甄莹研究员、中国科学院动物所王文达研究员、南京年夜学赵雪玻士等的提议，并获得了西湖年夜学份子科学大众试验平台、西湖年夜学生物医学试验技能中央等的技能撑持。西湖年夜学玻士生尤婷婷、玻士生毛卓、玻士生刘润洲、科研助理郭康宁、科研助理杨津于试验历程或者论文写作历程中提供了帮忙。工程资助来自在科技部重点研发工程、浙江省杰青基金、浙江省重点研发工程、国度天然科学基金委与西湖教诲基金会。 （原标题：Science报导｜西湖年夜学发明海洋光互助用要害色素合成酶）出格声明：本文转载仅仅是出在流传信息的需要，其实不象征着代表本消息网不雅点或者证明其内容的真实性；如其他媒体、消息网或者小我私家从本消息网转载使用，须保留本消息网注明的“来历”，并自大版权等法令义务；作者假如不但愿被转载或者者接洽转载稿费等事宜，请与咱们联系。/天博
