植物光系統I膜蛋白超分子復合物結構研究獲重要進展

　　5月29日，Science期刊以長文（Article）的形式并作為封面文章發表了中國科學院植物研究所沈建仁和匡廷云研究團隊的突破性研究成果——高等植物光系統I（PSI）光合膜蛋白超分子復合物2.8 ?的世界最高分辨率晶體結構，文章題為Structural basis for energy transfer pathways in the plant PSI-LHCI super-complex。

　　光合作用是綠色植物利用太陽能把二氧化碳和水合成有機化合物并釋放出氧氣的過程，是地球上最大規模的能量和物質轉換過程，是幾乎一切生命生存和發展的物質基礎，被諾貝爾獎基金委員會評為“地球上最重要的化學反應”。光合作用是自然界光能高效轉換的典范，光合作用研究的核心問題是揭示光能的高效吸收、傳遞和轉化的微觀機理。光合作用光能的吸收、傳遞和轉化是由位于光合膜上具有一定分子排列和空間構象的色素蛋白復合物光系統II（PSII）和光系統I（PSI）所推動的。

　　PSI是一個具有極高效率的太陽能轉化系統，其中捕光色素吸收的能量傳遞到反應中心發生電荷分離，幾乎每一個吸收的光子都能產生一個電子。植物PSI的葉綠素（Chl）含量很高，大大提高了捕光能力，同時捕光色素蛋白復合體I（LHCI）結合有特殊的葉綠素分子——紅葉綠素（Red Chls)，使植物PSI的捕光能力延伸到遠紅外光譜區，并實現激發能從低能向高能的傳遞。PSI具有極其快速高效的激發能傳遞過程，其量子轉化效率幾乎為100%，是自然界量子轉化效率記錄的保持者。因此，對高等植物PSI結構與功能的研究一直是國際上研究的熱點和前瞻性課題。然而，到目前為止，PSI高效吸能、傳能和轉能的結構基礎仍然不清楚，國際上對于高等植物PSI原子水平的高分辨率結構一直未獲得解析。

　　沈建仁和匡廷云研究團隊長期致力于光合膜蛋白結構和功能的研究，經過多年的積累解析出了高等植物PSI-LHCI光合膜蛋白超分子復合物2.8 ?的晶體結構。這一研究成果首次全面地解析了高等植物PSI-LHCI光合膜蛋白超分子復合物的精細結構，它包括16個蛋白亞基（12個核心蛋白亞基PsaA-L及4個捕光天線蛋白亞基Lhca1-4）、155個葉綠素分子（143個葉綠素a和12個葉綠素b）、35個類胡蘿卜素（26個β-胡蘿卜素、5個葉黃素、4個紫黃質）、10個脂分子（6個磷脂酰甘油PG、3個單半乳糖二酰基甘油MGDG、1個雙半乳糖二酰基甘油DGDG）、3個鐵硫簇、2個葉綠醌和一些水分子，總分子量約600 kDa。

　　這一研究成果首次揭示了高等植物PSI的4個不同捕光天線蛋白復合體在聚集狀態下的結構和它們的異同，以及它們之間的相互關系；首次揭示了高等植物PSI捕光色素蛋白復合體全新的色素網絡系統，揭示了每一種色素分子在每一個結合位點上的化學性質和幾何排列，特別是首次解析了特殊的葉綠素——紅葉綠素（Red Chls）的結構；最后，根據這一高分辨率結構提出了LHCI向PSI核心復合體能量傳遞可能的4條途徑。

　　這一突破性研究成果為揭示高等植物PSI高效吸能、傳能和轉能的機理奠定了堅實的結構基礎，對于闡明光合作用機理具有重大的理論意義；為開辟太陽能利用、開發清潔能源、解決人類社會可持續發展所面臨的能源、糧食和環境等問題都具有重大戰略意義。

　　Science 期刊評委對該文給予了高度的評價，他們認為“這是一項里程碑性質的工作，對于眾多研究領域（植物生理、生態、生物化學、生物物理和理論化學）的科學家來說將具有顯著的重要性”。同時，他們認為“這項工作對實現PSI-LHCI能量傳遞的理論計算和為人類理解光合捕光機理提供了可能，這是一次真正的突破，體現了最高的專業水平，是一項光輝的典范性工作”。

　　同時，Science期刊針對這一研究工作特邀該領域國際知名專家Roberta Croce教授撰寫了題為A close view of photosystem I 的專題評論，對這一成果給予了高度評價。海內外媒體，新華網和美國華盛頓郵報也在第一時間對這一研究成果做了深入報道。

　　中科院植物所為該研究成果第一完成單位。該項研究得到了“光合作用與‘人工葉片’”“973”計劃重大科學問題導向項目（2011CBA00901）以及“光合作用分子機制與作物高光效品種選育”“973”國家重點基礎研究計劃（2015CB150101）、中國科學院重大突破擇優支持（KGZD-EW-T05）的資助。

圖1：Science期刊當期（29 May 2015, Vol. 348, #6238）封面選該成果作重點介紹。圖2：高等植物PSI-LHCI光合膜蛋白超分子復合物2.8?分辨率的結構圖（A.從基質側觀察到的復合物結構；B.復合物的色素和輔助因子的排列；C.從LHCI側觀察到的復合物結構）。圖3：LHCI向PSI核心復合體能量傳遞的可能途徑（A.參與從LHCI向PSI核心能量傳遞色素的整體分布；B-E.能量傳遞的4條可能途徑）。