生命起源於海洋。地球上的氧氣約有一半由海洋光合作用所產生。而葉綠素是光合作用光能捕捉與化學能產生所需的關鍵分子。海洋之中，陽光不會普照，光合生命進化出複雜的捕光機製。例如，盡管海洋真核藻類在大小、顏色和形態上各不相同，但它們的捕光色素-蛋白複合體中大多采用了一種陸地植物所缺乏的、名為葉綠素c的分子。北京時間2023年10月6日，西湖大學生命科學學院李小波團隊在Science發表題為“A chlorophyll c synthase widely co-opted by phytoplankton”的文章，首次揭示了葉綠素c合成酶編碼基因及該酶作用機製，挖掘了葉綠素c的生理功能，討論了該基因的演化形成與轉移。葉綠素c於1864年由愛爾蘭物理學家喬治·斯托克斯首次報道，其合成酶的發現解決了長期以來困擾海洋光合作用領域的一個問題，並為海洋藻類捕光機製的合成生物學應用打開了一扇門。

　　論文鏈接：

　　https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adg7921

從藻類中提取的各類色素

　　傳奇：從矽藻到葉綠素c

　　蘇軾在《前赤壁賦》中寫道：“寄蜉蝣於天地，渺滄海之一粟。”如果你拿出一滴海水放在顯微鏡中，你會看到一個生機勃勃的微觀世界。矽藻，就是仿佛如此微不足道，卻在海洋光合作用中起主導地位的生存強者。

　　矽藻作為單細胞真核生物，一般隻有2微米到200微米，隻有少數門類可以達到毫米級，所以在18世紀之前，人們甚至都不知道它們的存在。但矽藻的演化之路絕對是史詩級的——二次內共生。

　　目前主流理論認為，一個異養生命通過吞噬藍細菌獲得了光合作用的能力，演化出了綠藻與紅藻，藍細菌演化成了葉綠體，這是人們常知的第一次內共生。而矽藻的祖先，是不折不扣凶悍的掠食者，它們吞噬了已經具備細胞核與葉綠體的紅藻，並獲取了特定的紅藻基因，這也被稱為第二次內共生。

顯微鏡下各種“奇異”的矽藻。圖源：NOAA / wiki commons

　　矽藻絕對是演化史中的“卷王”，也許是為了防禦，矽藻還演化出了厚實的“裝甲”——它們學會了利用二氧化矽，沒錯，你可以理解成它們給自己裝上了頗為現代化的玻璃外殼。很多矽藻可以在有性生殖和無性生殖之間切換：平時進行無性生殖，然而由於其奇特的增殖方式，子代細胞會越來越小；在細胞小於一定閾值時這些矽藻則啟動有性生殖。矽藻的祖先中有一支又另辟蹊徑，演化出了多細胞的藻類，演化出巨大體型的褐藻，比如我們日常食用的海帶。

　　正因為如此，李小波此前主要在國外從事萊茵衣藻光合作用的研究，但加入西湖大學之後逐漸認識到矽藻的獨特性，決定將矽藻光合作用作為實驗室一個重要的研究方向。李小波團隊將目光投射到矽藻的捕光機製上，含有葉綠素c的捕光複合體的吸收光譜不同於陸地植物的捕光複合體，可以更高效地吸收水域中豐富的藍綠光，這可能是各種真核藻類廣泛采用葉綠素c的原因。

　　光合作用極其複雜，人類目前還不能完全解密，就葉綠素的種類與合成研究來說，也是走過了一段漫長的彎路。目前認為產氧光合生物主要含有五種類型的葉綠素：葉綠素a, b, c, d, f，其結構與合成路徑各有不同。

　　與其他天然產物一樣，葉綠素生物合成的每一步驟依賴於酶的催化，而每個酶有一個或多個基因編碼。每種葉綠素生物合成通路的解析將使得該葉綠素在其他物種中的應用成為可能。

　　李小波團隊開始了尋找葉綠素c合成酶的道路。

含葉綠素c藻類的多樣性與生態功能示意圖。作者：李小波實驗室博士生楊雨青。

　　挑戰：鎖定基因

　　得益於世紀之交分子遺傳學工具的大發展，各種葉綠素生物合成的共有步驟或特異步驟所需基因已被發現。例如，藍細菌葉綠素f於2010年被報道，其合成酶編碼基因於2016年即已被解析。而葉綠素c發現於159年前，它的合成酶編碼基因則長期以來未被突破。為什麼葉綠素c合成機製的研究這麼難?在真核藻類中，綠藻中的萊茵衣藻遺傳學研究較多，然而綠藻不含有葉綠素c。矽藻、褐藻、定鞭藻、甲藻等含葉綠素c的門類在海洋固碳、海洋動物生存及棲息地的建立、海洋沉積物以及赤潮的形成等重要生態過程中扮演著不可或缺的角色，其中的海帶(褐藻)還是人類喜愛的食物來源。然而這些藻類的遺傳操作工具卻相對落後。

培養中的藻類。

　　矽藻類群中的模式物種三角褐指藻早在2008年就已完成基因組測序，但是由於矽藻細胞一般為二倍體，即每個細胞具有兩套基因組，傳統遺傳學手段很難同時破壞基因的兩個拷貝以測試其功能。但好消息是，近年來CRISPR基因編輯方法(2020年諾貝爾化學獎獲獎成果)的進步使得一個基因的兩個拷貝同時被破壞成為可能。為了找到編碼葉綠素c合成酶的基因，李小波團隊從三角褐指藻基因組中根據各基因在不同生長條件下的表達水平差異，選取了數十個候選基因，依次進行敲除與表型檢測。其中一個候選基因的敲除突變體呈現出綠色表型，與野生型矽藻細胞的褐色外觀形成鮮明對比。色素分析顯示，該基因的突變體完全丟失了葉綠素c，同時，突變體中岩藻黃素(與葉綠素c處於同一色素-蛋白複合體的黃色色素)的含量顯著降低，因此突變體呈現出比野生型更綠的顏色。在低光照條件下，該突變體表現出明顯的生長劣勢。

葉綠素c合成酶突變體的發現。褐色為野生型，綠色斑點為缺失葉綠素c的突變體。

　　體外實驗證實該基因編碼的酶能夠利用葉綠素生物合成途徑中的常見前體直接合成葉綠素c，因此被命名為葉綠素c合成酶(Chl c synthase)，簡稱CHLC。該酶與其他葉綠素合成通路組分的底物特異性可以解釋葉綠素c結構的獨特之處。

葉綠素c合成反應示意圖。CHLC蛋白利用一係列輔因子在底物(DVP)側鏈上形成碳碳雙鍵。

　　尾聲：這意味著什麼？

　　“這是一篇非常有趣的文章，首次記錄了一種對當代水生生物光合作用至關重要的酶的活性和物種分布。文章所描述的葉綠素c合成酶的基因突變、突變體回補和生化活性研究令人信服。”審稿人對李小波團隊的成果評價道。

葉綠素c合成酶編碼基因同源基因的海洋分布示意圖。Tara Oceans各采樣站點均可發現同源基因。

　　結合Tara Oceans全球海洋生物調查數據，研究團隊發現CHLC同源基因廣泛分布於全球海洋。在係統演化分析中，團隊發現不含葉綠素c的生物(包括紅藻)缺乏CHLC同源基因；而含有葉綠素c的定鞭藻、甲藻和隱藻均具有該基因。然而，與矽藻親緣關係更近、同樣含有葉綠素c的褐藻卻缺乏該基因，這表明褐藻可能采用未知的、獨立演化出的酶來合成葉綠素c。這一結果也表明現在的光合作用機製演化學說還有待修正。

　　下一步，李小波團隊將致力於解析矽藻含葉綠素c的捕光色素-蛋白複合體生物合成所需的全部基因，並將試圖在其他光合生物中重構該複合體，以拓寬該底盤生物的捕光光譜。此外，在光合生物中，海洋藻類的分子遺傳學研究遠滯後於陸地植物，然而它們卻具有多種獨特的生物過程，如無機細胞壁納米斑圖的形成。因此，李小波團隊一直為尋找海洋藻類宏觀和微觀現象的分子生物學解釋而努力。

　　西湖大學博士生蔣彥酉與助理研究員曹天駿為本文的共同第一作者；副研究員張歡、博士生楊雨青、博士生張靜宇參與了本項研究；特聘研究員李小波為本文通訊作者。項目的進行得到了西湖大學張驪駻研究員、西湖大學甄瑩研究員、中科院植物所王文達研究員、南京大學趙雪博士等的建議，並得到了西湖大學分子科學公共實驗平台、西湖大學生物醫學實驗技術中心等的技術支持。西湖大學博士生尤婷婷、博士生毛卓、博士生劉潤洲、科研助理郭康寧、科研助理楊津在實驗過程或論文寫作過程中提供了幫助。項目資助來自於科技部重點研發項目、浙江省傑青基金、浙江省重點研發項目、國家自然科學基金委與西湖教育基金會。