孑遺藍綠菌中的光合系統一結構揭露早期光合作用演化歷程

光合作用提供地球生命賴以維生的能量來源，其起源來自於約30億年前藍綠菌的出現。探明光合作用數十億年來的演化，最大的挑戰是缺乏可直接觀察的證據。蛋白質與色素等功能性分子難以在化石中保存，加上難以研究已滅絕的藍綠菌，使得早期光合作用的演化歷程至今仍然成謎。

此時，保留原始特徵的孑遺藍綠菌（例如無葉綠囊膜的藍綠菌）便扮演關鍵角色。「然而，我們無法說孑遺藍綠菌就是原始的藍綠菌，因為它和其他的藍綠菌一樣，經歷了數十億年的演化。但從其保留的部分早期特徵中，可以讓我們一窺演化中的精彩片段。」臺大生命科學系何銘洋副教授說到。

2021年，何銘洋團隊與康乃爾大學的研究團隊發表一種無葉綠囊膜的孑遺藍綠菌Anthocerotibacter panamensis ( https://sec.ntu.edu.tw/epaper/article.asp?num=1482&sn=20907)。2023年，何銘洋團隊與中研院合作，從A. panamensis 中發現新的球拍狀藻膽蛋白體結構 ( https://www.ntu.edu.tw/spotlight/2024/2226_20240103.html)。今年，我們進一步地去探討其光合系統一的特徵，和其在演化中的地位。

「這株藍綠菌的光合系統一展現出獨特的螢光紅移訊號！這種現象過去只在有葉綠囊膜的藍綠菌、藻類，和植物中才有，代表它的光能吸收與利用效率，可能比我們原本預期的還高。」江漢威博士後研究員表示。

為了解造成這項特殊螢光訊號的原因，我們與國際團隊合作，透過冷凍電子顯微鏡技術解析 A. panamensis 光合系統一的蛋白質結構。這個光合系統一結構形似三葉草，含有 300 多個色素分子，包括類胡蘿蔔素和能產生紅移螢光訊號的特殊葉綠素分子。這種紅移螢光過去從未在無葉綠囊膜的藍綠菌中發現，一度以為是原始的特徵，但根據演化分析，我們發現紅移螢光是藍綠菌的共同祖先所具備的特徵，一些無葉綠囊膜的藍綠菌在漫長的演化中拋棄了這個特徵，但 A. panamensis 很幸運地保留了它，讓我們可以去推敲光合作用早期演化的歷程和多樣性。

此研究的合作者包括美國威斯康辛州立大學的Chris Gisriel老師、英國倫敦瑪麗皇后大學的Tanai Cardona老師，和美國耶魯大學Gary Brudvig老師的團隊。何銘洋團隊感謝臺大生命科學系、國科會新秀學者計畫，和教育部玉山青年學者計畫支持完成研究。

此研究成果已於2025年5月14日發表於《美國國家科學院院刊》PNAS : https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2427090122