一般認(rèn)為，藍(lán)藻光合作用首次給地球帶來(lái)了氧氣。氧氣在地球上的出現(xiàn)不僅促進(jìn)了復(fù)雜生命的進(jìn)化，而且也給藍(lán)藻帶來(lái)了活性氧的毒害。為了適應(yīng)有活性氧的新環(huán)境，藍(lán)藻在進(jìn)化過(guò)程中形成了許多抗氧化機(jī)制，包括圍繞光系統(tǒng)I（PSI）的環(huán)式電子傳遞。NDH-1是環(huán)式電子傳遞途徑中的一個(gè)關(guān)鍵組分。我校生命科學(xué)學(xué)院馬為民研究組一直從事藍(lán)藻光合NDH-1相關(guān)的研究工作，鑒定并揭示了多個(gè)光合NDH-1調(diào)控亞基的生理功能（Battchikova et al., J Biol Chem, 2011; Zhao et al., J Biol Chem, 2014; Gao et al., Plant Physiol, 2016a），也發(fā)現(xiàn)了NDH-1-PSI超分子復(fù)合體（Gao et al., Plant Physiol, 2016b）。然而，迄今為止，人們對(duì)環(huán)式電子傳遞的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。

2020年2月14日，Nature Communications期刊以Article形式在線(xiàn)發(fā)表了上海交通大學(xué)附屬上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院雷鳴研究組和上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院馬為民研究組的合作研究成果，題為“Structural insights into NDH-1 mediated cyclic electron transfer”。該研究工作利用單顆粒冷凍電鏡方法解析了藍(lán)藻光合NDH-1L的完整結(jié)構(gòu)，包含了它的電子供體——鐵氧還蛋白（ferredoxin, Fd），并發(fā)現(xiàn)了放氧光合生物特有的調(diào)控亞基NdhV和NdhO與Fd的結(jié)合位點(diǎn)。在三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分子生物學(xué)、生理生化等手段，該研究工作進(jìn)一步提出了NdhV和NdhO正、負(fù)調(diào)控藍(lán)藻環(huán)式電子傳遞的分子機(jī)制。

在結(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本研究提出了一個(gè)藍(lán)藻應(yīng)對(duì)高光脅迫的抗氧化機(jī)制（下圖）。在生長(zhǎng)光條件下，僅小部分NdhV協(xié)助光還原Fd結(jié)合到NDH-1L復(fù)合體，從而限制了環(huán)式電子傳遞，滿(mǎn)足了高效光合所需的ATP/NADPH比例。當(dāng)藍(lán)藻短期暴露到高光條件下，更多的NdhV將協(xié)助增加的光還原Fd結(jié)合到NDH-1L復(fù)合體，從而加速了環(huán)式電子傳遞，實(shí)現(xiàn)了高效光合。如果長(zhǎng)期生長(zhǎng)在高光條件下，藍(lán)藻將誘導(dǎo)新的NDH-1MS復(fù)合體來(lái)進(jìn)一步加速環(huán)式電子傳遞。這一環(huán)式電子傳遞分級(jí)操作的精細(xì)調(diào)控機(jī)制對(duì)于藍(lán)藻適應(yīng)有氧的環(huán)境條件，并最終開(kāi)啟復(fù)雜生命在地球上的進(jìn)化是至關(guān)重要的。

上海交通大學(xué)附屬上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院雷鳴研究員、武健研究員，以及上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院馬為民教授為論文的共同通訊作者。張春莉博士和博士生帥進(jìn)、冉兆星為該項(xiàng)工作的共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和上海市教委的共同資助。

高光調(diào)控藍(lán)藻環(huán)式電子傳遞的模式圖

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14732-z

（供稿、圖片：生命科學(xué)學(xué)院）