光系统I（Photosystem I，PSI）是执行光合作用光反应的一个重要的超大色素-蛋白复合体。它通过一系列复杂的色素网络捕获太阳能，并通过驱动跨膜电子转移从而将光能转化成化学能，被称作自然界中最高效的光能转化装置。目前，国际上已经解析了原核生物蓝藻PSI以及高等植物豌豆PSI的捕光色素蛋白复合体I（LHCI）高分辨率结构，但关于红藻等从原核生物向真核生物过渡的真核藻类的PSI高分辨率三维结构研究还是一个空白。
中国科学院植物研究所研究员、中国科学院院士匡廷云与研究员沈建仁领导的研究组长期从事光合膜蛋白超大复合体的结构与功能研究。近期，研究组通过与清华大学教授、中国科学院院士隋森芳团队开展合作，利用单颗粒冷冻电镜技术首次解析了红藻PSI核心与捕光天线复合物（PSI-LHCR）的3.63 Å分辨率的三维结构。研究发现，红藻中存在2种PSI-LHCR结构状态，分别结合了5个和3个LHCR；与高等植物全部LHCI位于PSI核心一侧不同的是，结合5个LHCR的红藻PSI-LHCR的两个额外LHCR蛋白位于相反一侧，展现了与高等植物PSI-LHCI明显不同的结构，显示了处于原始形态的红藻PSI-LHCR的特征。研究表明，红藻PSI核心既具备了蓝藻PSI的部分特征，也带有高等植物PSI的部分特征，证实了红藻PSI是从原核生物向真核生物进化的中间类型。研究人员还首次确认了真核PsaO亚基在PSI中的位置和结合色素的情况，并确认了红藻LHCR中独特的色素组成。
该研究不仅揭示了红藻PSI-LHCR的独特结构和能量传递特征，显示了红藻PSI结构对环境变化的适应性，以及PSI从原核生物向真核生物进化过程中的结构变化，对于阐明PSI的进化和功能具有重要意义。这是该研究组继2015年解析了高等植物PSI-LHCI高分辨率三维结构之后的又一重要进展。
该研究成果于4月9日在线发表于国际学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。清华大学博士研究生皮雄和植物所沈建仁研究组博士后田立荣为论文共同第一作者，沈建仁和隋森芳为共同通讯作者，匡廷云参与了该研究的整体设计。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院先导项目、前沿重点项目和院长基金的共同资助。
