植物如何高效利用太阳能？中国科大联合团队首次解析光合作用核心复合物的高分辨率原位结构

　　IT之家 7 月 30 日消息，中国科学技术大学官方公众号昨日（7 月 29 日）发布博文，该校生命科学与医学部张凯教授团队联合中外学者，首次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。

　　相关成果《In situ structures of plant photosystem supercomplexes》已发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上，这是 2026 年至今中国科大以第一署名及通讯单位在 Nature、Science、Cell 三大国际顶尖刊物 (CNS) 上发表的第 11 篇成果。

　　该成果由中国科大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 Roberta Croce 教授、安徽医科大学第一附属医院高新院区朱家鹏教授共同推进，也是张凯团队年内第 2 篇《自然》论文。

　　研究团队直接冷冻和成像完整水稻叶绿体，在保留类囊体膜天然脂质环境的条件下，解析了 PSII（光系统 II）和 PSI（光系统 I）超级复合物的高分辨率原位结构。

　　过去 20 余年，冷冻电镜和 X 射线晶体学已解析体外纯化样品的光合作用复合物结构，但去垢剂可能破坏天然脂质环境，让部分结合较松散的外周天线亚基脱落。

　　团队获得的 PSII—LHCII（捕光复合体 II）超级复合物平均分辨率为 2.89 ，核心区域达 2.3 ，并构建 C S M L 型原子模型。

　　水稻叶绿体类囊体膜中光合超级复合物的原位冷冻电镜单颗粒分析流程及高分辨率密度图

　　此前体外纯化的 C S M 型结构含 18 个外周天线亚基；此次原位结构含 30 个，其中包括 4 个过去几乎无法保留的 L 型 LHCII 三聚体。

　　该结构在 PSII 核心及内层天线区域识别出 305 个叶绿素、52 个类胡萝卜素、8 个质体醌分子和 111 个天然脂质分子。研究还显示，PsbR（PsbR 亚基）的 N 端环区在类囊体膜基质侧形成“盾牌”状结构，位于质体醌交换通道上方。

　　水稻类囊体膜中多种 PSII-LHCII 高阶形式及类囊体膜堆叠“骨架”网络模型

　　团队首次在水稻类囊体膜中直接观察到 PSII—LHCII 超级复合物的 3 类二聚体，分别为并列式、跨腔侧和跨基质侧二聚体。

　　这些二聚体还能形成三聚体和四聚体，并构成横向延伸、贯穿相邻膜层的网络。研究认为，PSII 除承担光能转换功能外，还参与支撑类囊体膜堆叠。