破解百年难题，西湖大学新发Science

 
 
破解百年难题，西湖大学新发Science  
 
 

生命起源于海洋。地球上的氧气约有一半由海洋光合作用所产生。而叶绿素是光合作用光能捕捉与化学能产生所需的关键分子。

海洋之中，阳光不会普照，光合生命进化出复杂的捕光机制。

例如，尽管海洋真核藻类在大小、颜色和形态上各不相同，但它们的捕光色素-蛋白复合体中大多采用了一种陆地植物所缺乏的、名为叶绿素c的分子。

北京时间2023年10月6日，西湖大学生命科学学院李小波团队在Science发表题为“A chlorophyll c synthase widely co-opted by phytoplankton”的文章，首次揭示了叶绿素c合成酶编码基因及该酶作用机制，挖掘了叶绿素c的生理功能，讨论了该基因的演化形成与转移。

叶绿素c于1864年由爱尔兰物理学家乔治·斯托克斯首次报道，其合成酶的发现解决了长期以来困扰海洋光合作用领域的一个问题，并为海洋藻类捕光机制的合成生物学应用打开了一扇门。

论文链接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg7921
从藻类中提取的各类色素

传奇：从硅藻到叶绿素c

苏轼在《前赤壁赋》中写道：“寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟。”如果你拿出一滴海水放在显微镜中，你会看到一个生机勃勃的微观世界。硅藻，就是仿佛如此微不足道，却在海洋光合作用中起主导地位的生存强者。

硅藻作为单细胞真核生物，一般只有2微米到200微米，只有少数门类可以达到毫米级，所以在18世纪之前，人们甚至都不知道它们的存在。但硅藻的演化之路绝对是史诗级的——二次内共生。

目前主流理论认为，一个异养生命通过吞噬蓝细菌获得了光合作用的能力，演化出了绿藻与红藻，蓝细菌演化成了叶绿体，这是人们常知的第一次内共生。而硅藻的祖先，是不折不扣凶悍的掠食者，它们吞噬了已经具备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。
显微镜下各种“奇异”的硅藻。图源：NOAA / wiki commons

硅藻绝对是演化史中的“卷王”，也许是为了防御，硅藻还演化出了厚实的“装甲”——它们学会了利用二氧化硅，没错，你可以理解成它们给自己装上了颇为现代化的玻璃外壳。很多硅藻可以在有性生殖和无性生殖之间切换：平时进行无性生殖，然而由于其奇特的增殖方式，子代细胞会越来越小；在细胞小于一定阈值时这些硅藻则启动有性生殖。硅藻的祖先中有一支又另辟蹊径，演化出了多细胞的藻类，演化出巨大体型的褐藻，比如我们日常食用的海带。

正因为如此，李小波此前主要在国外从事莱茵衣藻光合作用的研究，但加入西湖大学之后逐渐认识到硅藻的独特性，决定将硅藻光合作用作为实验室一个重要的研究方向。李小波团队将目光投射到硅藻的捕光机制上，含有叶绿素c的捕光复合体的吸收光谱不同于陆地植物的捕光复合体，可以更高效地吸收水域中丰富的蓝绿光，这可能是各种真核藻类广泛采用叶绿素c的原因。

光合作用极其复杂，人类目前还不能完全解密，就叶绿素的种类与合成研究来说，也是走过了一段漫长的弯路。目前认为产氧光合生物主要含有五种类型的叶绿素：叶绿素a, b, c, d, f，其结构与合成路径各有不同。