甄張赫，李文軍，林瀚智，秦松*

(1.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，山東 煙臺(tái) 264003；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東 青島 266071；4.廣東省科學(xué)院 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所 華南土壤污染控制與修復(fù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650)

1 引言

藻類(lèi)是光合自養(yǎng)的水生孢子植物，是地球上最原始的進(jìn)行放氧光合作用的植物，可分為原核藻類(lèi)及真核藻類(lèi)。原核藻類(lèi)的成員主要為藍(lán)藻，它通過(guò)內(nèi)共生進(jìn)化出各種真核藻類(lèi)。最初，藍(lán)藻的初級(jí)內(nèi)共生演化出3 個(gè)分支：灰胞藻、紅藻及綠藻[1]。隨后，紅藻及綠藻通過(guò)一系列次內(nèi)共生產(chǎn)生了其他的真核藻類(lèi)[2]。按照傳統(tǒng)方法，真核藻類(lèi)通常被分為10 個(gè)門(mén)：綠藻門(mén)、輪藻門(mén)、裸藻門(mén)、紅藻門(mén)、隱藻門(mén)、甲藻門(mén)、金藻門(mén)、黃藻門(mén)、硅藻門(mén)及褐藻門(mén)[3]。

藻類(lèi)可在各類(lèi)地球環(huán)境中（湖泊、海洋、溫泉、高山、極地等）生存，特別是水下弱光環(huán)境造就了藻類(lèi)獨(dú)特而高效的捕光能力[4]。為了適應(yīng)各種光環(huán)境，藻類(lèi)進(jìn)化出了各種捕光天線（色素?蛋白復(fù)合體），包括定位于類(lèi)囊體膜外的水溶性復(fù)合體，以及在類(lèi)囊體膜內(nèi)的疏水性復(fù)合體。這些復(fù)合體可通過(guò)調(diào)整其結(jié)合色素的數(shù)量、種類(lèi)及位點(diǎn)，吸收環(huán)境中特定波段的光[5]。例如水溶性捕光天線復(fù)合體藻膽體（Phycobilisome，PBS），可通過(guò)共價(jià)結(jié)合的各類(lèi)藻膽素，如藻藍(lán)膽素（Phycocyanobilin，PCB）、藻紅膽素（Phycoerythrobilin，PEB）、藻尿膽素（Phycourobilin，PUB）和藻紫膽素（Phycoviolobilin，PVB）等吸收460～670 nm 的可見(jiàn)光[6]；膜蛋白捕光天線復(fù)合體（Light-harvesting Complex，LHC）可通過(guò)非共價(jià)結(jié)合的各類(lèi)色素如葉綠素（Chlorophyll，Chl），及各種類(lèi)胡蘿卜素（Carotenoids）如巖藻黃素（Fucoxanthin，F(xiàn)x）、甲藻黃素（Diadinoxanthin，Dd）和硅藻黃素（Diatoxanthin，Dt）等吸收350～750 nm的光[7-8]，這些吸收的光能被捕光天線復(fù)合體以大于90%的效率傳遞至光合反應(yīng)中心。在此過(guò)程中，類(lèi)胡蘿卜素可以通過(guò)淬滅激發(fā)態(tài)葉綠素的方式進(jìn)行光保護(hù)。這些捕光和傳能的過(guò)程之所以如此的高效，與藻類(lèi)捕光天線獨(dú)特的蛋白結(jié)構(gòu)密不可分[9-13]。

藻類(lèi)擁有的獨(dú)特的捕光天線結(jié)構(gòu)是其行使捕光和傳能過(guò)程的基礎(chǔ)（表1）[14-16]，研究藻類(lèi)捕光天線的精細(xì)結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。其精細(xì)結(jié)構(gòu)的揭示，可以幫助人們了解天線的捕光和傳能機(jī)制，并為光電仿生器件提供重要的結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)[17]，這對(duì)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能電池甚至人工光合作用的合成都至關(guān)重要。

但需要注意的是，藻類(lèi)捕光天線結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展非常依賴于相關(guān)的檢測(cè)及解析技術(shù)。這些技術(shù)被用來(lái)分析藻類(lèi)捕光天線的成分和結(jié)構(gòu)，是影響結(jié)構(gòu)分辨率的重要因素，因此相關(guān)的研究方法學(xué)和技術(shù)手段的進(jìn)步至關(guān)重要。本文將以研究方法學(xué)和技術(shù)手段的進(jìn)步為線索，回顧過(guò)去70 年藻類(lèi)捕光天線結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究歷程，闡明結(jié)構(gòu)生物學(xué)揭示的藻類(lèi)捕光復(fù)合體結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性及其科學(xué)意義，并展望有關(guān)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 藻類(lèi)捕光天線結(jié)構(gòu)解析

2.1 生化提取和成分分析階段

生化提取是解析藻類(lèi)捕光天線結(jié)構(gòu)的第一步，也是后續(xù)成分分析的重要基礎(chǔ)。自20 世紀(jì)50 年代起，人們開(kāi)始通過(guò)簡(jiǎn)單易行的生理生化技術(shù)，廣泛研究藻類(lèi)捕光天線的組成及結(jié)構(gòu)[18-20]。例如，Gantt 和Lipschultz[21]開(kāi)發(fā)了從單細(xì)胞紅藻紫球藻中分離完整PBS 的方法，大大推動(dòng)了當(dāng)時(shí)甚至后續(xù)的PBS 結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。后續(xù)提取完整PBS 的方法均由此衍生而來(lái)，至今仍延用了其中的經(jīng)典條件及步驟，例如細(xì)胞破碎緩沖液磷酸根濃度為0.6～1.0 mol/L、pH 約為7，提取溫度在18°C 左右，純化方法選擇蔗糖梯度離心法等[22-25]。

隨后Gingrich 等[26-28]通過(guò)改進(jìn)該方法，分離純化了藍(lán)藻的PBS，例如聚球藻SynechococcusPCC 6301、SynechococcusPCC 7002 等，并通過(guò)蛋白電泳、吸收光譜及熒光發(fā)射光譜，對(duì)PBS 的蛋白成分及色素成分進(jìn)行了鑒定（表1）?；谶@些研究成果，Glazer[29]構(gòu)建了聚球藻Synechococcus6 701 藻膽體結(jié)構(gòu)的初始模型。在完整的藻膽體結(jié)構(gòu)被結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究技術(shù)解析之前，該初始模型的建立對(duì)于分析藻膽體能量傳遞途徑具有重要的指導(dǎo)意義。

2.2 利用X-ray 解析晶體局部精細(xì)結(jié)構(gòu)

X-ray 晶體學(xué)是解析藻類(lèi)捕光天線復(fù)合體精細(xì)結(jié)構(gòu)的第一選擇[30]（表1）。蛋白本身的特性往往決定了其結(jié)晶的難易程度，因此水溶性捕光天線和膜蛋白捕光天線的晶體結(jié)構(gòu)解析進(jìn)展并不對(duì)等。大量易結(jié)晶的水溶性捕光天線蛋白以及組成PBS 的各類(lèi)藻膽蛋白率先獲得了原子分辨率的結(jié)構(gòu)，例如多甲藻素葉綠素蛋白（Peridinin-chlorophyll-protein，PCP）（2 ?）[31]、藻紅蛋白（phycoerythrin，PE）（1.85 ?）[32]、藻藍(lán)蛋白（phycocyanin，PC）（1.35 ?）[33]和隱藻PE545（0.97 ?、1.63 ?）[34-35]等（表2）。

由于膜蛋白純化及結(jié)晶均較為困難，因此獲得LHC 家族成員的晶體結(jié)構(gòu)往往需要漫長(zhǎng)的摸索過(guò)程。幸運(yùn)的是，目前已經(jīng)獲得了多種LHCII、FCP（Fx and Chla/cbinding protein）的高分辨晶體結(jié)構(gòu)（表2），這些結(jié)構(gòu)清晰地展示了色基類(lèi)型及結(jié)合位點(diǎn)[36-38]。大量晶體結(jié)構(gòu)的成功解析，為后續(xù)冷凍電鏡三維重構(gòu)計(jì)算奠定了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

然而，由于LHC 家族成員的結(jié)構(gòu)多樣性，膜蛋白又較難結(jié)晶，因此大多數(shù)藻類(lèi)的膜蛋白捕光天線的精細(xì)結(jié)構(gòu)尚未通過(guò)X-ray 晶體學(xué)方法獲得（表2）。此外，超分子捕光復(fù)合體的結(jié)構(gòu)也很難通過(guò)X-ray 晶體學(xué)方法獲得。一方面是由于超分子復(fù)合體的體積太大，增加了結(jié)晶難度，例如PSI（photosystem I）-LHCI，PSII-LHCII 等大體積復(fù)合物至今未見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)，而其包含的體積小的PSI、PSII 以及部分LHC卻早已通過(guò)結(jié)晶法獲得精細(xì)結(jié)構(gòu)[37,39-40]；另一方面是受限于復(fù)合體的體外理化性質(zhì)，例如PBS 不僅體積大，而且在體外易解聚，很難通過(guò)結(jié)晶獲得完整的精細(xì)結(jié)構(gòu)。由于X-ray 晶體學(xué)技術(shù)幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)完成部分藻類(lèi)捕光天線的結(jié)構(gòu)解析，因此開(kāi)發(fā)更多的結(jié)構(gòu)解析技術(shù)變得非常必要。

2.3 利用電鏡技術(shù)解析捕光天線復(fù)合體結(jié)構(gòu)（以冷凍電鏡為技術(shù)分水嶺）

表2 藻類(lèi)捕光天線復(fù)合體晶體結(jié)構(gòu)解析進(jìn)展Table 2 Progress in crystal structure analysis of algal light-harvesting antenna complexes

表3 電鏡技術(shù)解析藻類(lèi)捕光復(fù)合體結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展Table 3 Advance in electron microscope analysis of algal light-harvesting complexes

電鏡技術(shù)一直是生物分子結(jié)構(gòu)生物學(xué)結(jié)構(gòu)解析，特別是超大分子解析的重要手段，只不過(guò)早期的解析清晰度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如X-ray 晶體解析技術(shù)，制約了技術(shù)的應(yīng)用范圍。早在20 世紀(jì)80 年代起，人們便開(kāi)始利用各種電鏡技術(shù)對(duì)捕光天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察（表1，表3），例如通過(guò)透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）[21,68]、掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）[69]以及原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）[70]觀察到了各種不同類(lèi)型的二維或三維PBS 結(jié)構(gòu)。部分膜蛋白捕光天線的結(jié)構(gòu)也可通過(guò)電鏡觀察到，如體積較小的XLH（來(lái)源于黃藻）[71]以及大體積的LHC 和光系統(tǒng)I 的超分子復(fù)合物（如隱藻的PSI-LHCI[72]、綠藻的PSI-LHCI-LHCII[44]等），結(jié)合已公布的晶體結(jié)構(gòu)，可對(duì)這些負(fù)染圖像進(jìn)行三維重構(gòu)計(jì)算，獲得粗略結(jié)構(gòu)模型。然而，由于這幾種電鏡技術(shù)本身的限制及獲得的圖像分辨率的限制，這些粗略結(jié)構(gòu)相比于精細(xì)結(jié)構(gòu)僅能提供復(fù)合體組成成分，丟失了大量的亞基及色基結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，例如PBS與PSII-LHCII（圖1A，圖1C）的粗略結(jié)構(gòu)，無(wú)法提供確切的亞基類(lèi)型及空間位置，也無(wú)法觀察到結(jié)合的色基，而精細(xì)結(jié)構(gòu)（圖1B，圖1D）卻可以提供這些細(xì)節(jié)。因此，直到冷凍電鏡技術(shù)發(fā)展成熟之前，人們都很難通過(guò)電鏡獲得捕光天線復(fù)合體完整的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖1 捕光復(fù)合體粗略結(jié)構(gòu)及精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.1 Comparison of contour and fine structures of algal light-harvesting complexes

冷凍電鏡技術(shù)的應(yīng)用不僅使結(jié)構(gòu)生物學(xué)跨入了新時(shí)代，也使藻類(lèi)捕光天線的結(jié)構(gòu)解析得以關(guān)鍵性突破，這得益于冷凍電鏡技術(shù)相比較X-ray 結(jié)晶法對(duì)樣品質(zhì)量的依賴度更低[73]。僅2019 年，便有7 個(gè)超分子復(fù)合體的精細(xì)結(jié)構(gòu)通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)獲得[42,45,74-78]，包括提高了分辨率的PBS 結(jié)構(gòu)（紅藻Porphyridium purpureum，2.82 ?）[42]、綠藻的PSI-LHCI 以及多種類(lèi)型的PSII-LHCII 等。這些結(jié)構(gòu)清晰的揭示了復(fù)合體組件之間的連接與排布方式。目前，冷凍電鏡技術(shù)在藻類(lèi)捕光天線復(fù)合體結(jié)構(gòu)解析領(lǐng)域的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間。例如，利用冷凍電鏡技術(shù)解析的藻類(lèi)捕光天線復(fù)合體結(jié)構(gòu)分辨率均未突破2.5 ?（表3）。因此，未來(lái)還需要對(duì)樣品純化以及冷凍電鏡解析技術(shù)繼續(xù)優(yōu)化提升，以提高結(jié)構(gòu)分辨率。

3 藻類(lèi)捕光天線蛋白結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的進(jìn)步，為深刻理解藻類(lèi)捕光天線復(fù)合體的功能提供了大量結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，例如精細(xì)結(jié)構(gòu)展示的大量的精準(zhǔn)的發(fā)色團(tuán)位置，提示了捕光天線系統(tǒng)內(nèi)部高效的能量傳遞發(fā)生的可能機(jī)制。目前，將結(jié)構(gòu)生物學(xué)與捕光天線功能整合為一體的研究方法學(xué)如下（圖2）。

（1）通過(guò)比對(duì)分析捕光蛋白的同源基因，結(jié)合其三維結(jié)構(gòu)，揭示捕光蛋白結(jié)構(gòu)與功能的進(jìn)化關(guān)系。例如，在2006 年，Zhao 和Qin[90]對(duì)藻膽蛋白同源基因進(jìn)行了進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)某些藻膽蛋白中的部分氨基酸位點(diǎn)表現(xiàn)出較高的非同義替換率（圖2A），這些位點(diǎn)大多分布在發(fā)色團(tuán)結(jié)合結(jié)構(gòu)域和螺旋發(fā)夾結(jié)構(gòu)域（X 和Y）內(nèi)或其附近（圖2B），并顯示出共同進(jìn)化的特征。將這些位點(diǎn)精確地定位在藻膽蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)上，發(fā)現(xiàn)脫輔基蛋白的發(fā)色團(tuán)結(jié)合結(jié)構(gòu)域?yàn)榘l(fā)色團(tuán)創(chuàng)造了特定的微環(huán)境，以確保高效的能量轉(zhuǎn)移效率[90]。這個(gè)研究從計(jì)算生物學(xué)的角度，證實(shí)了發(fā)色團(tuán)與藻膽蛋白之間存在特定的空間環(huán)境以有效的進(jìn)行共振能量轉(zhuǎn)移。

（2）根據(jù)藻類(lèi)捕光天線蛋白精細(xì)結(jié)構(gòu)提供的發(fā)色團(tuán)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)能量傳遞的大概路徑，并為利用超快時(shí)間分辨光譜研究能量傳遞提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。例如，通過(guò)硅藻（Phaeodactylum tricornutum）FCP 的結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)CP 主要以二聚體的形式存在，且該結(jié)構(gòu)揭示的FCP 不僅結(jié)合了含氧光合作用生物中常見(jiàn)的Chla，而且結(jié)合了Chlc和Fx，使它們能夠捕捉藍(lán)綠光以適應(yīng)水中的光環(huán)境（圖3）[36]。隨后通過(guò)PSII-FCPII 的結(jié)構(gòu)解析，進(jìn)一步揭示了硅藻（Chaetoceros gracilis）FCPII與PSII 的連接方式及可能的能量傳遞模式。但是由于超分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，具體的能量傳遞路徑目前還不清晰[89]。由于復(fù)合體體積太大，色素分子較多而導(dǎo)致目前無(wú)法僅通過(guò)高分辨的復(fù)合體結(jié)構(gòu)就準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能量傳遞路徑的例子還有很多，例如，2020年解析的來(lái)自紫球藻（P.purpureum）的PBS 的結(jié)構(gòu)，包含了1 598 個(gè)色素分子，且2.82 ?的分辨率足以使人們看清每個(gè)色基的結(jié)合位點(diǎn)[42]。然而，由于色素?cái)?shù)量龐大，能量傳遞路徑復(fù)雜，其中可能涉及到多個(gè)激子能量傳遞，甚至相干共振能量轉(zhuǎn)移。因此，準(zhǔn)確的能量傳遞途徑還需要配合各種精確的光譜技術(shù)手段進(jìn)行分析。

圖2 計(jì)算生物學(xué)分析藍(lán)藻藻膽蛋白同源序列及結(jié)構(gòu)[90]Fig.2 Computational biology analysis of cyanobacterial phycobiliprotein homologous sequence and structure [90]

（3）光譜學(xué)是分析捕光蛋白能量傳遞的最佳手段，常用的有吸收光譜、熒光發(fā)射光譜、圓二色譜[91]以及超快光譜[92]。目前，超快時(shí)間分辨光譜被認(rèn)為是分析捕光蛋白能量傳遞機(jī)制的最佳光譜學(xué)手段，超快時(shí)間分辨光譜可對(duì)飛秒（fs）內(nèi)的能量傳遞過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)[93-94]。例如，二維超快時(shí)間分辨光譜顯示，隱藻捕光蛋白PC645的兩組色素分子之間存在振動(dòng)相干節(jié)拍以及部分離域振動(dòng)，這使得能量轉(zhuǎn)移速率增強(qiáng)[95-96]。

除了高效能量傳遞，藻類(lèi)捕光天線系統(tǒng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，為理解其光適應(yīng)機(jī)制提供了更多的科學(xué)依據(jù)，例如，藻類(lèi)捕光天線可通過(guò)結(jié)構(gòu)的變化響應(yīng)來(lái)啟動(dòng)各種光保護(hù)機(jī)制（如非光化學(xué)淬滅（NPQ）、狀態(tài)轉(zhuǎn)換等[97-98]），以保護(hù)光合反應(yīng)中心免受光損傷。例如，發(fā)色團(tuán)網(wǎng)絡(luò)揭示的各類(lèi)LHC 的類(lèi)胡蘿卜素位置，可輔助理解LHC 的NPQ 機(jī)制。近來(lái)，有研究利用時(shí)間分辨紅外光譜對(duì)LHCII 的能量淬滅動(dòng)力學(xué)及構(gòu)象變化進(jìn)行了分析[99]，該研究揭示了高等植物L(fēng)HCII 三聚體對(duì)多余激發(fā)能的耗散可響應(yīng)溫度和酸度的變化，這可通過(guò)類(lèi)胡蘿卜素與葉綠素612 之間的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化來(lái)調(diào)控。需要說(shuō)明的是，由于植物L(fēng)HCII 的結(jié)構(gòu)與綠藻LHCII 的結(jié)構(gòu)一樣，因此，對(duì)高等植物L(fēng)HCII 的研究結(jié)果均可用來(lái)分析綠藻LHCII。此外，對(duì)高等植物PSI-LHCI-LHCII 的精細(xì)結(jié)構(gòu)解析，也可幫助人們深入理解綠藻捕光天線的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制。通過(guò)對(duì)比綠藻中發(fā)現(xiàn)的各種類(lèi)型的PSII（photosystem II）-LHCII（C2S2-typePSII-LHCII、C2S2M2-typePSII-LHCII及C2S2M2N2-typePSII-LHCII 等）復(fù)合體結(jié)構(gòu)差異，有助于深入理解LHCII 對(duì)不同光條件下的響應(yīng)機(jī)制[45,74,77,86]。

圖3 FCP 單體結(jié)構(gòu)及其色素組成[36]Fig.3 Monomer structure and pigment composition of FCP [36]

藻類(lèi)捕光天線的結(jié)構(gòu)盡管可根據(jù)生活的光環(huán)境進(jìn)行變化，但是決定其結(jié)構(gòu)類(lèi)型的根本因素在于進(jìn)化所決定的基因。因此，盡管有一些藻類(lèi)生活在相似的環(huán)境中，但是其捕光天線結(jié)構(gòu)卻有差別，例如都生活在海表面的單細(xì)胞藍(lán)藻和紅藻，其具備的捕光天線結(jié)構(gòu)并不相同。紅藻的藻膽體較藍(lán)藻藻膽體體積更大，且紅藻還具有膜蛋白LHC[23,42,74]。因此，藻類(lèi)捕光天線的結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一是建立在進(jìn)化的基礎(chǔ)上的，解析不同藻類(lèi)的捕光天線結(jié)構(gòu)有助于理解藻類(lèi)進(jìn)化。

4 展望

冷凍電鏡技術(shù)與超快時(shí)間分辨光譜技術(shù)的結(jié)合，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)藻類(lèi)捕光天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與能量傳遞功能的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，為深刻理解水生植物藻類(lèi)為何具有高效的弱光捕獲能力，極高的傳能效率以及靈活的光適應(yīng)能力等，奠定了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。然而，清晰繪制一幅特殊水環(huán)境如何塑造了特殊的捕光結(jié)構(gòu)，又如何獲得高效而精準(zhǔn)的捕光功能的系統(tǒng)畫(huà)卷，仍舊任重道遠(yuǎn)。

捕光天線結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的發(fā)色團(tuán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合各類(lèi)光譜技術(shù)可揭示其高效的傳能過(guò)程，其中可用于解釋兩個(gè)相干量子系統(tǒng)引起的周期性振動(dòng)過(guò)程的CRET 機(jī)制引起了廣泛的關(guān)注和爭(zhēng)議。CRET 過(guò)程可使能量在幾百飛秒內(nèi)分布在整個(gè)系統(tǒng)（大于分子的直徑）內(nèi)[100]，因此部分觀點(diǎn)認(rèn)為相干共振能量轉(zhuǎn)移是藻類(lèi)捕光天線高效捕光的真正原因。然而，也有部分觀點(diǎn)認(rèn)為該過(guò)程的相互作用時(shí)間太短暫，在光合作用能量轉(zhuǎn)移中沒(méi)有任何功能意義[101]。而且，通用的物理計(jì)算模型無(wú)法可靠的解釋捕光天線內(nèi)復(fù)雜的能量傳遞過(guò)程，例如關(guān)于隱藻PC645 中量子節(jié)拍的解釋仍然備受爭(zhēng)議，因?yàn)樵诱駝?dòng)也可呈現(xiàn)出相似的觀測(cè)結(jié)果，而這種觀測(cè)結(jié)果很難區(qū)分是由哪種機(jī)制導(dǎo)致的[96]。因此，需要開(kāi)發(fā)更合理的計(jì)算模型（如非微擾計(jì)算模型）[102]，才能清楚地闡釋相干能量傳遞機(jī)制是否是藻類(lèi)捕光天線高效捕光的“殺手锏”。另外，需要注意的是，現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的捕光天線內(nèi)的量子節(jié)拍大多數(shù)測(cè)量于77 K，而考慮到藻類(lèi)生存的溫度及溫度升高對(duì)量子退相干過(guò)程的加劇作用，在常溫下測(cè)量量子相干的意義重大。

關(guān)于PBS 光保護(hù)機(jī)制的研究還需要依賴相關(guān)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析。一方面，PBS 可通過(guò)橙色類(lèi)胡蘿卜素蛋白（water-soluble orange carotenoid protein，OCP）依賴型NPQ 過(guò)程將多余的激發(fā)能進(jìn)行熱耗散（圖4a）。但關(guān)于OCP 的結(jié)合位點(diǎn)仍存在爭(zhēng)議，雖然普遍認(rèn)為活性O(shè)CP 可以結(jié)合PBS 的核心結(jié)構(gòu)[103]，但至今沒(méi)有相關(guān)的結(jié)構(gòu)被解析，無(wú)法直觀的驗(yàn)證該觀點(diǎn)。另一方面，PBS 可通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行光保護(hù)，其機(jī)制不同于膜蛋白LHC（圖4）。為了避免PSII 能量過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致光損傷，通常PBS 可通過(guò)移動(dòng)傳能機(jī)制（圖4b，狀態(tài)一）和溢出機(jī)制（圖4b，狀態(tài)二）兩種途徑實(shí)現(xiàn)多余能量在光系統(tǒng)之間的重新分配[104]。遺憾的是，至今，兩種機(jī)制的結(jié)構(gòu)僅局限于結(jié)構(gòu)模型，直觀的結(jié)構(gòu)解析將寄希望于未來(lái)原位結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)研究方法的開(kāi)發(fā)。

圖4 藻膽體光保護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Photoprotective structural model of phycobilisomes

目前，仍有許多藻類(lèi)捕光天線的精細(xì)結(jié)構(gòu)未被解析，其中不乏有一些藻類(lèi)擁有特殊結(jié)構(gòu)的捕光天線。例如，極端環(huán)境中的藻類(lèi)為了在多變的光環(huán)境或不尋常的溫度條件下，依然能維持捕光天線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和捕光效率，進(jìn)化出了獨(dú)特的捕光天線結(jié)構(gòu)。已發(fā)現(xiàn)嗜熱藍(lán)藻的捕光天線核結(jié)構(gòu)中，含有結(jié)構(gòu)特殊的PC（PC612），可使藻膽體在高溫條件結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定[105]；南極紅藻可通過(guò)轉(zhuǎn)換不同的藻膽體類(lèi)型來(lái)適應(yīng)長(zhǎng)期的光照環(huán)境和長(zhǎng)期的黑暗環(huán)境[106]。但這些沒(méi)有細(xì)節(jié)的粗略結(jié)構(gòu)只是提供了理解適應(yīng)機(jī)制的可能方向，并不能輔助人們理解其特殊的捕光及傳能機(jī)制。例如，嗜熱藍(lán)藻中特殊結(jié)構(gòu)的PC 在藻膽體傳能過(guò)程中的具體作用還不清楚；驅(qū)動(dòng)南極紅藻兩種藻膽體轉(zhuǎn)換的具體機(jī)制以及兩種藻膽體與光系統(tǒng)的聯(lián)系仍未見(jiàn)報(bào)道。這些科學(xué)問(wèn)題都需要通過(guò)解析精細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至是動(dòng)態(tài)光環(huán)境下的精細(xì)結(jié)構(gòu)來(lái)解釋。

現(xiàn)階段，藻類(lèi)捕光天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究已為深入揭示藻類(lèi)光合作用高效能量傳遞機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)生物學(xué)揭示的藻類(lèi)捕光復(fù)合體結(jié)構(gòu)與其功能的統(tǒng)一性。此外，通過(guò)特殊的捕光天線結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)一步研究捕光天線對(duì)光環(huán)境的適應(yīng)性，成為了未來(lái)的研究重點(diǎn)，這將為藻類(lèi)捕光天線蛋白在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。