纪念光合作用研究先驱Donald A. Bryant（1950-2024）——从藻胆体结构到远红光适应的科学遗产

本文深情回顾了光合作用研究领域杰出科学家Donald A. Bryant的学术生涯与科学贡献。研究团队通过多学科交叉方法，系统阐述了Bryant在藻胆体（PBS）结构解析、绿硫细菌光合系统、黄石热泉微生物生态学及远红光适应（FaRLiP）机制等领域的开创性工作，揭示了光合微生物对环境适应的分子基础。该研究不仅为理解光合作用进化提供了关键证据，其发现的叶绿素f合成酶（ChlF）更为作物光能利用效率提升提供了新思路。

　　

在生命科学的历史长河中，光合作用研究始终占据着核心地位。这项将光能转化为化学能的生物过程，不仅支撑着地球生命系统的运转，更蕴含着无数未解之谜。2024年8月，光合作用研究领域失去了一位重要先驱——Donald A. Bryant（1950-2024），这位被同事亲切称为"Don"的科学家，用毕生精力揭开了光合微生物适应环境的光能捕获奥秘。

传统光合作用研究面临三大挑战：光合微生物的极端环境适应机制尚未阐明；藻胆体（phycobilisome, PBS）能量传递结构基础不清；远红光（far-red light, FRL）利用的分子途径存在争议。这些问题的解决对理解生命演化、开发新型光能利用技术具有重要意义。美国宾夕法尼亚州立大学等机构的研究团队通过系统研究，在《Photosynthesis Research》发表纪念性综述，全面总结了Bryant教授跨越半个世纪的科研贡献。

研究团队运用冷冻电镜（cryo-EM）解析蛋白质结构、基因组测序与比较基因组学、基因敲除与功能互补、代谢组学与转录组学等关键技术，结合黄石国家公园热泉微生物群落的原位观测，系统阐述了Bryant团队的系列发现。

【藻胆体和藻胆蛋白】研究揭示了PBS由中心核和外围杆组成的结构模型（Bryant et al., 1979），发现异藻蓝蛋白B（ApcD）在能量传递中的关键作用。通过分子生物学手段，首次实现藻胆蛋白在大肠杆菌中的高水平重组表达，鉴定出藻蓝蛋白裂合酶CpcE/CpcF（Fairchild et al., 1992）。

【绿硫细菌和细菌叶绿素合成】阐明了绿硫细菌绿色体（chlorosome）包膜蛋白CsmA对细胞存活的必要性（Chung et al., 1998），鉴定出细菌叶绿素c合成酶BchK（Frigaard et al., 2002）和8-乙烯基还原酶BciA（Chew & Bryant, 2007b）。发现BciD作为自由基SAM酶，催化细菌叶绿素e的生物合成（Thweatt et al., 2017）。

【热泉微生物垫生态学】通过宏基因组分析发现首个光合酸杆菌门成员Candidatus Chloracidobacterium thermophilum（Bryant et al., 2007），揭示玫瑰屈曲杆菌（Roseiflexus）通过3-羟基丙酸途径（3-hydroxypropionate, 3OHP）实现光混养代谢（Klatt et al., 2007）。

【远红光适应(FaRLiP)】发现蓝藻通过21基因簇编码的替代光合组件适应远红光环境（Gan et al., 2014），鉴定出光依赖性叶绿素f合成酶PsbA4/ChlF（Ho et al., 2016）。冷冻电镜解析显示FRL-PSI中Chl f结合位点的种间差异（Gisriel et al., 2020a），发现FRL-PBS核心中色素共轭双键系统的延伸导致红移吸收（Soulier & Bryant, 2021）。

【低光适应(LoLiP)】在热泉微生物垫中发现低光生态型蓝藻表达特殊的异藻蓝蛋白变体ApcD4/ApcB3（Olsen et al., 2015），这些蛋白形成螺旋纳米管结构而非传统三聚体（Gisriel et al., 2023a）。

【光系统I和更多发现】与John Golbeck合作完成PSI重组实验（Zhao et al., 1990），证明PsaC的[4Fe-4S]簇配体半胱氨酸突变导致自旋态转变（Zhao et al., 1992）。发现铁硫簇生物合成调控因子SufR（Wang et al., 2004），构建了产氢光生物纳米器件（Lubner et al., 2011）。

【分支TCA循环】推翻蓝藻具有不完整TCA循环的传统认知，鉴定出2-酮戊二酸脱羧酶（2-OGDC）和琥珀酸半醛脱氢酶（SSADH）构成的替代途径（Zhang & Bryant, 2011）。

这项系统研究不仅梳理了Bryant教授长达50年的科研历程，更揭示了光合微生物应对环境挑战的分子创新。其科学遗产主要体现在三个方面：结构生物学层面，阐明了从藻胆体到光系统的能量传递精确路径；进化生物学层面，拓展了光合生物多样性的认知边界；应用技术层面，叶绿素f合成机制的发现为"超级作物"设计提供了理论依据。正如文中所言："Don的科研直觉和严谨态度，激励了几代研究者探索自然界的光合奥秘。"这些发现将持续影响光合作用研究领域，为应对全球气候变化下的粮食安全挑战提供新思路。