中外科学家揭示植物高效光合作用分子机制

从中国科学技术大学获悉，中外科学家团队合作成功在植物天然膜环境中解析了光合作用核心复合物的高分辨率原位结构，揭示了植物高效光合作用及类囊体膜堆叠形成的分子机制，为理解植物如何高效利用太阳能提供了新的理论基础。相关研究成果于7月29日发表于国际学术期刊《自然》。

此次研究由中国科学技术大学生命科学与医学部张凯教授团队联合荷兰阿姆斯特丹自由大学教授罗贝塔·克罗切（Roberta Croce）、安徽医科大学第一附属医院高新院区教授朱家鹏完成。

过去二十多年，科学家主要通过提纯蛋白的方法研究光合作用结构，但这一过程会破坏天然膜环境，导致部分重要组分丢失，因此难以完整呈现植物体内光合作用机器的真实工作状态。张凯团队将研究思路从“提纯后观察”转变为“在天然环境中直接观察”，建立并发展了细胞器水平高分辨原位冷冻电镜技术。团队将这一技术拓展至完整水稻叶绿体，在保留类囊体膜天然脂质环境的基础上，成功解析了超级复合物的高分辨率原位结构。

研究团队首次观察到传统纯化方法难以保留的多种光合作用超级复合物高阶组装形式，发现这些分子机器不仅承担太阳能捕获与转换功能，还能够进一步组装形成支撑叶绿体类囊体膜结构的“分子骨架”，从分子层面回答了植物类囊体膜堆叠如何形成这一长期未解的基本问题。结合定量能量传递分析，研究进一步揭示了高等植物如何通过精确组织光能捕获、传递和转换过程，实现高效光合作用的分子机制。

此项研究将光合作用复合体研究从离体状态推进到天然膜环境下的真实状态，实现了高分辨率结构解析与原位生理环境观察的结合。此项成果为理解植物如何在原子尺度和细胞器尺度上实现高效光能转换与动态光适应提供了新的研究框架，也为未来通过合成生物学优化作物光能利用效率、培育高光效作物品种提供了重要结构基础。