中国科学家光合作用基础研究获重大突破 首次解析大麦关键结构

匡廷云院士介绍最新研究成果意义和影响。 中新社记者 孙自法 摄

中新网北京12月9日电 (记者 孙自法)中国科学院植物研究所(中科院植物所)与浙江大学联合团队最新以饲用/食用大麦为研究材料，在光合作用基础领域取得突破性研究成果，他们的研究首次解析了大麦叶绿体中环式电子传递路径中的关键结构——专业称为PSI-NDH(即光系统I-类还原型尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶复合物)的高分辨率结构。

中科院植物所研究员韩广业(右)、王文达进行交流。记者 孙自法 摄

由中国科学家率先完成的这项重要基础研究成果论文，北京时间12月9日凌晨在国际著名学术期刊《自然》上线发表。

论文共同通讯作者、中科院植物所韩广业研究员接受中新社记者采访介绍说，这是目前利用冷冻电镜技术解析到的高等植物叶绿体中最大的光合膜蛋白复合物结构，总分子量约1.6M Da(Da即道尔顿，是原子质量单位，1Da为碳12元素原子质量的1/12)。其整体结构由2个PSI-LHCI(光系统I-捕光复合物I)亚复合体、1个NDH亚复合体及1个未知蛋白(USP)组成，共包含55个蛋白亚基、298个叶绿素分子、67个类胡萝卜素分子和25个脂分子。

他表示，本次研究通过解析大麦叶绿体的一项高分辨率结构，揭示PSI-LHCI中特殊天线亚基和高等植物叶绿体中10个特有NDH亚基的精确位置和结构特点，同时也揭示了亚基间的相互作用及复合物组装原理。

匡廷云院士(中)和韩广业(右)、王文达研究员在实验室合影。记者 孙自法 摄

据了解，光合作用包括光反应和暗反应，光反应过程是在一系列镶嵌在光合膜上的蛋白质超分子机器中进行，通过光驱动PSI和PSII反应中心电荷分离及光合电子传递，将光能转化为化学能，用于暗反应二氧化碳固定。

论文共同第一作者、中科院植物所王文达研究员指出，PSI和PSII催化两种类型光合电子传递，分别为线性电子传递和环式电子传递。不过，此前关于PSI-NDH的结构及其精确调控机制的认识并不清楚。这次研究通过首次解析大麦PSI-NDH复合体的结构，从而揭示高等植物PSI-NDH介导光合环式电子传递调控的结构基础。

高等植物大麦PSI-NDH的整体结构示意图。 中科院植物所 供图

如此专业的学术研究成果对人们生产生活有何意义与影响？中科院院士、中科院植物所匡廷云研究员强调，光合作用是地球上最大规模的能量和物质转换过程，是几乎一切生命生存和发展的物质基础。研究光合作用机理及调控原理，对解决人类社会可持续发展所面临的能源、环境和粮食等问题都有重大战略意义。

她表示，联合团队最新完成的这项研究成果，不仅对深入理解光合环式电子传递调控的机制及被子植物在进化过程中适应陆生光环境具有重要意义，而且对提高饲草及作物光能转化、二氧化碳固定效率及抗逆能力具有重要指导意义。同时，为利用合成生物学技术构建新型高效光合膜电子传递线路、优化光合膜能量传递途径、打造高光效和高固碳光合元件和模块提供新思路，为设计高产和高抗逆性的优质饲草及作物提供新的技术路线。