科技日報記者 馬愛平 通訊員 梁鵬鴻
中科院植物所科研人員首次解析大麥葉綠體PSI-NDH膜蛋白超大分子復合物空間結構，12月9日，該研究成果在線發(fā)表于國際學術期刊Nature上。
高等植物大麥葉綠體中PSI-NDH的整體結構。中科院植物所供圖
光合作用光反應過程是在一系列鑲嵌在光合膜上的蛋白質超分子機器中進行的，通過光驅動光系統II（PSII）和光系統I（PSI）反應中心電荷分離及光合電子傳遞，將光能轉化為化學能（ATP和NADPH），用于暗反應二氧化碳固定。PSI和PSII催化兩種類型光合電子傳遞，分別為線性電子傳遞和環(huán)式電子傳遞。在環(huán)式電子傳遞路徑中，由NDH蛋白復合物介導的圍繞PSI的環(huán)式電子傳遞是主要路徑之一，這條路徑對維持光合固碳過程中ATP的供應及逆境脅迫條件下類囊體膜基質氧化還原狀態(tài)具有重要功能，此前對于這條路徑中的關鍵超大膜蛋白復合物PSI-NDH結構和調控機制的認識并不清楚。
植物所光合膜蛋白結構生物學研究組以飼用/食用作物——大麥為研究材料，利用冷凍電鏡技術首次解析了大麥葉綠體PSI-NDH超分子復合物的高分辨率結構，揭示了高等植物PSI-NDH介導光合環(huán)式電子傳遞調控的結構基礎。該復合物整體結構包含55個蛋白亞基、298個葉綠素分子、67個類胡蘿卜素分子和25個脂分子，總分子量約1.6兆道爾頓，是目前解析到的高等植物葉綠體中最大的光合膜蛋白復合物結構。
這一結構揭示了PSI中特殊天線亞基和高等植物葉綠體中10個特有NDH亞基的精確位置和結構特點，同時也揭示了亞基間的相互作用及復合物組裝原理。這些研究結果有助于深入理解光合環(huán)式電子傳遞調控的機制，為利用合成生物學技術構建新型高效光合膜電子傳遞線路、優(yōu)化光合膜能量傳遞途徑、打造高光效和高固碳光合元件和模塊提供新思路。
該研究對于理解被子植物在進化過程中適應陸生光環(huán)境具有重要意義，對提高飼草及作物光能轉化、二氧化碳固定效率及抗逆能力具有重要指導意義，也為設計高產和高抗逆性的優(yōu)質飼草及作物提供新的技術路線。
植物所已畢業(yè)博士研究生沈亮亮、浙江大學博士研究生湯凱璐、植物所研究員王文達為論文共同第一作者，植物所研究員韓廣業(yè)和浙江大學教授張興為論文共同通訊作者。中科院院士、植物所研究員匡廷云等參與了該研究。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中科院先導專項、中科院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃、中科院青促會以及中央高校校長專項等項目資助，并得到中科院植物所公共技術服務中心和浙江大學醫(yī)學院冷凍電鏡中心與蛋白質平臺技術支持。
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