光合感化“绿巨人”蓄势待发

光合感化是地球生物平安高效地获取太阳能量的次要路子。在动物中，运行光合感化的场合——光合膜有着复杂而精细的构造。

北京时间12月9日，《天然》以长文形式在线颁发了中科院动物研究所（以下简称动物所）匡廷云院士团队与浙江大学张兴团队结合完成的打破性研究功效。

他们初次解析了大麦中一个包罗55个卵白亚基的叶绿体超分子复合体的高分辩率空间构造，该复合体是目前更大的已获得高分辩率构造的高档动物叶绿体超分子复合体，并初次提醒了光合膜上那个“绿巨人”的组拆原理。

解析“大块头”的精细构造

“光合感化中光能的吸收、传递和转换发作在光合膜上，是由光合膜上具有必然分子摆列和空间构象的卵白量超分子复合体完成的。”匡廷云在承受记者采访时说，光合膜上有光系统I和光系统II等多个超分子复合体，是光能高效吸收、传递和转化的场合。

该研究初次解析的“绿巨人”就是由此中多个超分子复合体进一步组拆而成的。论文通信做者、动物所研究员韩广业告诉记者，此前研究已经得知该复合体由3个大基团构成，是一个庞大而复杂的构造。但其详细构成和精细构造尚不清晰。

匡廷云解释说，光合感化的电子传递在光合膜上有两品种型，一种是线性电子传递，另一种是围绕光系统I的环式电子传递。

环式电子传递是光能转化路子之一，也调控着二氧化碳的高效固定。而该超分子复合体就与环式电子传递链有亲近关系。搞清晰“绿巨人”的精细构造，对理解光合感化光能转化调控机理有十分重要的理论意义。

“国际上有几个先辈的研究团队在做那项研究。此次我们起首颁发了它的高分辩率构造，得益于持久持之以恒的勤奋。”匡廷云说。

韩广业告诉记者，像“绿巨人”那么大的超分子复合体很难获得，要想获得它的构造其实不容易。颠末多年尝试，他们最末别离提纯到该超分子复合体，并操纵冷冻电镜“看”到了它的高分辩率构造。

论文配合第一做者、动物所研究员王文达介绍，大麦光系统I—NDH复合体由2个光系统I亚复合体、1个NDH亚复合体及一个未知卵白USP构成，共包罗55个卵白亚基、298个叶绿素分子、67个类胡萝卜素分子和25个脂分子，总分子量约1.6MDa。此中，NDH是一个类复原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶复合体。

“那是目前更大的已获得高分辩率构造的高档动物叶绿体超分子复合体。”匡廷云说。

提醒环式光电子传递的构造根底

在获得了大麦光系统I—NDH复合体高分辩率构造之后，该团队进一步解析了复合体中各个基团之间的彼此感化和组拆原理。

论文第一做者、动物所已结业博士研究生沈亮亮介绍，光合感化光反响过程是在一系列镶嵌在光合膜上的卵白量超分子复合体中停止的，通过光驱动光系统II和光系统I反响中心的电荷别离及光合电子传递，将光能转化为化学能，构成ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和复原力NADPH，用于暗反响中的二氧化碳固定。光系统I和光系统II催化两品种型光合电子传递，别离为环式电子传递和线性电子传递。

通过光诱导水裂解产生的电子依次颠末光系统II、细胞色素b6f和光系统I，最初构成复原力NADPH，如许的电子传递体例被称为线性电子传递。在那个过程中，量子被泵入类囊体囊腔中，产生跨膜量子梯度来驱动ATP合酶合成ATP。

沈亮亮说，若是电子颠末光系统I后没有构成复原力NADPH，而是返回到量体醌库和细胞色素b6f中，并继续返回到光系统I中，那种围绕光系统I停止的电子传递体例被称为环式电子传递。那一过程仅产生跨膜量子梯度并构成ATP，而不产生复原力NADPH。

韩广业解释说，围绕光系统I的环式电子传递在调理动物光合感化中ATP/NADPH的比例、满足二氧化碳固定、各类心理反响需乞降调理光合生物响应情况变革等方面具有重要感化。

而NDH介导的围绕光系统I的环式电子传递是光合环式电子传递的次要路子之一，对维持光合固碳过程中ATP的供给及顺境胁迫前提下类囊体膜基量氧化复原形态具有重要功用。

他们的研究初次提醒了光系统I中两个特殊天线亚基的切确位置和构造特点，其介导了光系统I与NDH之间的彼此感化；初次提醒了10个高档动物叶绿体特有的NDH亚基的切确位置和构造特点，那些新亚基与NDH的膜内亚基彼此感化，对维持该超分子复合物的不变有着重要的功用。

“我们解析的大麦光系统I-NDH复合体高分辩率构造，提醒了高档动物叶绿体光系统I-NDH复合体介导环式光合电子传递调控的构造根底。”匡廷云说。

为进步光合效率供给新思绪

匡廷云团队持久存眷光合感化机理研究。她告诉记者，那项研究成果不只对深切理解环式光合电子传递调控的机造具有重要意义，并且还有助理解被子动物在进化过程中若何适应陆生光情况。

她说，进化史上，动物登岸前生活在海水中，光线会跟着水深的增加而逐步削弱，水生生物的光合感化“擅长”捕获各类光强的光线，以充实吸收和操纵太阳光能。然而，跟着被子动物登岸，生活情况发作了庞大变革，此中一个显著变革就是光照变强了。于是，光合膜适应陆生情况，进化出抗强光照射的光庇护机造，那使得被子动物得以保存下来。

匡廷云指出，光合生物的光系统是不尽不异的。大麦是一种高档动物，因而，大麦光系统I—NDH复合体的空间构造有典型性，同时也能为研究其他动物的叶绿体超分子复合体供给参考。

“大麦既是一种粮食做物，也是一种饲草做物。”匡廷云说，那项研究对进步饲草及做物光能转化、二氧化碳固定效率及抗逆才能具有重要指点意义。

韩广业说，领会了光系统I—NDH复合体的空间构造之后，就能够操纵合成生物学手艺，构建新型高效的光合膜电子传递线路，优化光合膜能量传递路子，为打造高光效、高固碳光合元件和模块供给新思绪。

“大麦的基因组图谱是很清晰的，所以那项研究也为设想高产和高抗逆性的优良饲草及做物供给了新的手艺道路。”匡廷云说。

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来源：《中国科学报》