子科生物報道：2021年12月8日，Nature 雜志以長文的形式發(fā)表了浙江大學與中國科學院植物研究所聯(lián)合團隊的突破性研究成果—大麥光系統(tǒng)I（PSI）-NDH結構，文章題為“Architecture of the chloroplast PSI-NDH supercomplex in Hordeum vulgare”。

含氧光合作用利用太陽能來驅動水的氧化和二氧化碳 (CO2) 的還原，產生氧和碳水化合物，對維持地球上幾乎所有生命形式都必不可少。光反應中，光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)將光能轉化為ATP和NADPH，用于在卡爾文-本森循環(huán)中固定CO2形成碳水化合物。

光反應過程中存在兩種類型的光合電子傳遞途徑：線性和環(huán)式電子傳遞。在線性電子傳遞中，PSII從水中提取的電子通過質體醌、細胞色素 b6f復合物、質體藍素、PSI、鐵氧還蛋白Fd 和 Fd-NADP+ 氧化還原酶轉移到 NADP+，形成NADPH；在電子傳輸?shù)耐瑫r，質子通過 Cyt b6f 復合物中的質體醌從基質轉移到類囊體腔，產生跨膜質子梯度用于產生ATP。

然而，CO2的固定需要更多的ATP，這些額外的ATP是通過環(huán)式電子傳遞來產生。在環(huán)式電子傳遞中，PSI中的電子由經鐵氧還蛋白Fd、質體醌、Cytb6f復合體等電子傳遞體返回到PSI，在不產生 NADPH 的情況下產生跨膜質子梯度用于合成更多ATP。NDH介導的PSI環(huán)式電子傳遞是環(huán)式電子傳遞主要途徑之一，對維持光合固碳過程中ATP的供應及逆境條件下類囊體膜基質氧化還原狀態(tài)具有重要功能。然而，目前PSI-NDH的結構及其精確調控機制仍不清楚。

本研究首次解析了高等植物PSI-NDH復合體的高分辨結構，揭示了PSI-NDH介導的光合環(huán)式電子傳遞調控的結構基礎。

結果顯示，PSI-NDH復合體包含2個PSI-LHCI、1個NDH及一個未知蛋白USP，共包含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 MDa。

本研究首次揭示了PSI-LHCI中特殊天線亞基Lhca5和Lhca6的精確位置和結構特點，這兩個獨特的LHCI亞基介導了PSI-LHCI與NDH之間的相互作用。

首次揭示了NDH亞基特有的10個高等植物葉綠體的精確位置和結構特點，這些新亞基與NDH的膜內亞基相互作用并緊密結合，對維持PSI-LHCI-NDH的結構穩(wěn)定有著重要功能。

首次揭示了依賴于高等植物Lhca6和PnsB2的PSI-LHCI-NDH相互作用及復合物組裝原理。

此外，由于葉綠體 NDH 復合物接受來自 Fd 的電子，NDH與兩個PSI的結合會增加Fd 的數(shù)量，可能會促進電子從PSI到NDH的轉移，特別是在弱光條件下，可更有效地增加電子轉移。

這些結果不僅對深入理解光合環(huán)式電子傳遞調控的機制，對研究被子植物在進化過程中適應陸生光環(huán)境具有重要意義，而且對提高植物光能轉化、二氧化碳固定效率及抗逆能力具有重要指導意義；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；為設計高產和高抗逆性的優(yōu)質作物提供了結構基礎。

浙江大學基礎醫(yī)學院博士研究生湯凱璐、植物所研究員王文達、沈亮亮為論文共同第一作者，浙江大學基礎醫(yī)學院教授張興和植物所研究員沈建仁、韓廣業(yè)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、蛋白質平臺技術支持。