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。

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。

与其他天然产物一样，叶绿素生物合成的每一步骤依赖于酶的催化，而每个酶有一个或多个基因编码。每种叶绿素生物合成通路的解析将使得该叶绿素在其他物种中的应用成为可能。

李小波团队开始了寻找叶绿素c合成酶的道路。

“这是一篇非常有趣的文章，首次记录了一种对当代水生生物光合作用至关重要的酶的活性和物种分布。文章所描述的叶绿素c合成酶的基因突变、突变体回补和生化活性研究令人信服。”审稿人对李小波团队的成果评价道。

叶绿素c合成酶编码基因同源基因的海洋分布示意图。Tara Oceans各采样站点均可发现同源基因。

结合Tara Oceans全球海洋生物调查数据，研究团队发现CHLC同源基因广泛分布于全球海洋。在系统演化分析中，团队发现不含叶绿素c的生物（包括红藻）缺乏CHLC同源基因；而含有叶绿素c的定鞭藻、甲藻和隐藻均具有该基因。然而，与硅藻亲缘关系更近、同样含有叶绿素c的褐藻却缺乏该基因，这表明褐藻可能采用未知的、独立演化出的酶来合成叶绿素c。这一结果也表明现在的光合作用机制演化学说还有待修正。

下一步，李小波团队将致力于解析硅藻含叶绿素c的捕光色素-蛋白复合体生物合成所需的全部基因，并将试图在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，在光合生物中，海洋藻类的分子遗传学研究远滞后于陆地植物，然而它们却具有多种独特的生物过程，如无机细胞壁纳米斑图的形成。因此，李小波团队一直为寻找海洋藻类宏观和微观现象的分子生物学解释而努力。

西湖大学博士生蒋彦酉与助理研究员曹天骏为本文的共同第一作者；副研究员张欢、博士生杨雨青、博士生张静宇参与了本项研究；特聘研究员李小波为本文通讯作者。项目的进行得到了西湖大学张骊駻研究员、西湖大学甄莹研究员、中国科学院植物所王文达研究员、南京大学赵雪博士等的建议，并得到了西湖大学分子科学公共实验平台、西湖大学生物医学实验技术中心等的技术支持。西湖大学博士生尤婷婷、博士生毛卓、博士生刘润洲、科研助理郭康宁、科研助理杨津在实验过程或论文写作过程中提供了帮助。项目资助来自于科技部重点研发项目、浙江省杰青基金、浙江省重点研发项目、国家自然科学基金委与西湖教育基金会。

（原标题：Science报道｜西湖大学发现海洋光合作用关键色素合成酶）