硅藻是一類重要的放氧光合生物，每年貢獻約40%的海洋初級生產力，在全球生態食物鏈和碳循環中發揮重要作用。硅藻的主要捕光天線蛋白是岩藻黃質-葉綠素a/c結合蛋白（FCP），其結合豐富的岩藻黃質，可以吸收藍綠光；此外岩藻黃質可作為重要的光保護色素，在強光下耗散葉綠素中過剩的激發能，因此硅藻可以很好地適應從深海到海面的快速光變化。此前的研究表明FCP主要以單體、二聚體和四聚體等形式存在於硅藻的光合膜上，但這些聚集態的捕光和光保護功能差異以及其中的分子機制尚不清楚。
重點實驗室田利金研究組利用時間分辨熒光和瞬態吸收光譜等技術對海洋中心綱硅藻纖細角毛藻（Chaetoceros gracilis）中共存的兩種天線複合體（FCP-B/C二聚體和FCP-A四聚體）進行了功能表征。研究人員從硅藻中分離純化出FCP-A四聚體和FCP-B/C二聚體，利用吸收光譜和穩態熒光光譜發現兩種複合體的光譜性質差異較大，證實了兩種天線蛋白的功能大不相同。時間分辨熒光光譜的表征和數據分析發現FCP-B/C二聚體僅具有一個較長的熒光壽命（3.8 ns），處於光捕獲態；而FCP-A四聚體的熒光衰減顯著快於FCP-B/C二聚體，除了納秒級（4.0 ns）的長壽命組分外，還具有兩個較短的熒光壽命組分（76 ps、385 ps），該結果說明部分FCP-A蛋白處於猝滅態。由此可知，FCP-B/C二聚體僅處於光能捕獲態，而FCP-A四聚體則體現出狀態間的差異，具有捕光和熱耗散的雙重功能。為進一步揭示FCP-A四聚體發生能量猝滅的物理機制，研究人員測量了兩種複合體的超快瞬態吸收光譜。通過數據處理和建模分析發現大約40%的FCP-A四聚體可以將吸收的光能幾乎全部轉化成熱量，同時指出這一高效能量猝滅機制是通過從Chl a Qy到岩藻黃素S1/ICT態的超快激發能轉移實現的。研究不僅揭示了FCP二聚體和四聚體之間的蛋白功能的差異，而且闡明由葉綠素a到類胡蘿蔔素的激發能轉移的能量耗散機制在多種光合生物中具有高度保守性。
該研究成果於8月30日在線發表於國際學術期刊The Journal of Physical Chemistry Letters。實驗室博士研究生鄭夢圓和周萃萃為該論文的共同第一作者，田利金研究員和王文達研究員為共同通訊作者，匡廷雲院士等參與了該項工作。研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院青年創新促進會、中國科學院跨學科創新團隊以及國家自然科學基金的資助支持。
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http://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01633
硅藻纖細角毛藻FCP-A四聚體的能量耗散模型
