- 定做培養基/定制培養基
- 顆粒培養基
- 標準菌株生化鑒定試劑盒
- 預灌裝即用型成品培養基
- 2025年版中國藥典
- 促銷/特價商品
- 院感/疾控/體外診斷/采樣管
- 樣品采集與處理(均質)產品
- 按標準檢索培養基
- 模擬灌裝用培養基
- 干燥粉末培養基
- 培養基添加劑/補充劑
- 生化反應鑒定管
- 染色液等配套產品
- 對照培養基/標準品
- 實驗耗材與器具
- 生化試劑/化學試劑
- 菌種鑒定服務
行業動態
您現在的位置： 網站首頁 >> 行業動態
光合作用“綠巨人”蓄勢待發
[所屬分類:行業動態] [發布時間:2021-12-10] [發布人:網站管理員2] [閱讀次數:] [返回]
光合作用“綠巨人”蓄勢待發
作者：李晨 來源： 中國科學報
山東拓普生物工程有限公司 //ljxinglong.com
光合作用是地球生物安全高效地獲取太陽能量的主要途徑。在植物中，運行光合作用的場所——光合膜有著復雜而精細的結構。
北京時間12月9日，《自然》以長文形式在線發表了中科院植物研究所（以下簡稱植物所）匡廷云院士團隊與浙江大學張興團隊聯合完成的突破性研究成果。
他們首次解析了大麥中一個包含55個蛋白亞基的葉綠體超分子復合體的高分辨率空間結構，該復合體是目前最大的已獲得高分辨率結構的高等植物葉綠體超分子復合體，并首次揭示了光合膜上這個“綠巨人”的組裝原理。
解析“大塊頭”的精細結構
“光合作用中光能的吸收、傳遞和轉換發生在光合膜上，是由光合膜上具有一定分子排列和空間構象的蛋白質超分子復合體完成的。”匡廷云在接受《中國科學報》采訪時說，光合膜上有光系統I和光系統II等多個超分子復合體，是光能高效吸收、傳遞和轉化的場所。
該研究首次解析的“綠巨人”就是由其中多個超分子復合體進一步組裝而成的。論文通訊作者、植物所研究員韓廣業告訴《中國科學報》，此前研究已經得知該復合體由3個大基團組成，是一個龐大而復雜的結構。但其具體組成和精細結構尚不清楚。
匡廷云解釋說，光合作用的電子傳遞在光合膜上有兩種類型，一種是線性電子傳遞，另一種是圍繞光系統I的環式電子傳遞。
環式電子傳遞是光能轉化途徑之一，也調控著二氧化碳的高效固定。而該超分子復合體就與環式電子傳遞鏈有密切關系。搞清楚“綠巨人”的精細結構，對理解光合作用光能轉化調控機理有非常重要的理論意義。
“國際上有幾個先進的研究團隊在做這項研究。這次我們首先發表了它的高分辨率結構，得益于長期堅持不懈的努力。”匡廷云說。
韓廣業告訴《中國科學報》，像“綠巨人”這么大的超分子復合體很難獲得，要想獲得它的結構并不容易。經過多年實驗，他們最終分離提純到該超分子復合體，并利用冷凍電鏡“看”到了它的高分辨率結構。
論文共同第一作者、植物所研究員王文達介紹，大麥光系統I—NDH復合體由2個光系統I亞復合體、1個NDH亞復合體及一個未知蛋白USP組成，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1.6MDa。其中，NDH是一個類還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶復合體。
“這是目前最大的已獲得高分辨率結構的高等植物葉綠體超分子復合體。”匡廷云說。
揭示環式光電子傳遞的結構基礎
在獲得了大麥光系統I—NDH復合體高分辨率結構之后，該團隊進一步解析了復合體中各個基團之間的相互作用和組裝原理。
論文第一作者、植物所已畢業博士研究生沈亮亮介紹，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復合體中進行的，通過光驅動光系統II和光系統I反應中心的電荷分離及光合電子傳遞，將光能轉化為化學能，形成ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和還原力NADPH，用于暗反應中的二氧化碳固定。光系統I和光系統II催化兩種類型光合電子傳遞，分別為環式電子傳遞和線性電子傳遞。
通過光誘導水裂解產生的電子依次經過光系統II、細胞色素b6f和光系統I，最后形成還原力NADPH，這樣的電子傳遞方式被稱為線性電子傳遞。在這個過程中，質子被泵入類囊體囊腔中，產生跨膜質子梯度來驅動ATP合酶合成ATP。
沈亮亮說，如果電子經過光系統I后沒有形成還原力NADPH，而是返回到質體醌庫和細胞色素b6f中，并繼續返回到光系統I中，這種圍繞光系統I進行的電子傳遞方式被稱為環式電子傳遞。這一過程僅產生跨膜質子梯度并形成ATP，而不產生還原力NADPH。
韓廣業解釋說，圍繞光系統I的環式電子傳遞在調節植物光合作用中ATP/NADPH的比例、滿足二氧化碳固定、各種生理反應需求和調節光合生物響應環境變化等方面具有重要作用。
而NDH介導的圍繞光系統I的環式電子傳遞是光合環式電子傳遞的主要途徑之一，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具有重要功能。
他們的研究首次揭示了光系統I中兩個特殊天線亞基的精確位置和結構特點，其介導了光系統I與NDH之間的相互作用；首次揭示了10個高等植物葉綠體特有的NDH亞基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，對維持該超分子復合物的穩定有著重要的功能。
“我們解析的大麥光系統I-NDH復合體高分辨率結構，揭示了高等植物葉綠體光系統I-NDH復合體介導環式光合電子傳遞調控的結構基礎。”匡廷云說。
為提高光合效率提供新思路
匡廷云團隊長期關注光合作用機理研究。她告訴《中國科學報》，這項研究結果不僅對深入理解環式光合電子傳遞調控的機制具有重要意義，而且還有助理解被子植物在進化過程中如何適應陸生光環境。
她說，進化史上，植物登陸前生活在海水中，光線會隨著水深的增加而逐漸減弱，水生生物的光合作用“善于”捕捉各種光強的光線，以充分吸收和利用太陽光能。然而，隨著被子植物登陸，生活環境發生了巨大變化，其中一個顯著變化就是光照變強了。于是，光合膜適應陸生環境，進化出抗強光照射的光保護機制，這使得被子植物得以生存下來。
匡廷云指出，光合生物的光系統是不盡相同的。大麥是一種高等植物，因此，大麥光系統I—NDH復合體的空間結構有典型性，同時也能為研究其他植物的葉綠體超分子復合體提供參考。
“大麥既是一種糧食作物，也是一種飼草作物。”匡廷云說，這項研究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。
韓廣業說，了解了光系統I—NDH復合體的空間結構之后，就可以利用合成生物學技術，構建新型高效的光合膜電子傳遞線路，優化光合膜能量傳遞途徑，為打造高光效、高固碳光合元件和模塊提供新思路。
“大麥的基因組圖譜是很清楚的，所以這項研究也為設計高產和高抗逆性的優質飼草及作物提供了新的技術路線。”匡廷云說。
相關論文信息：//doi.org/10.1038/s41586-021-04277-6
作者：李晨 來源： 中國科學報
山東拓普生物工程有限公司 //ljxinglong.com
光合作用是地球生物安全高效地獲取太陽能量的主要途徑。在植物中，運行光合作用的場所——光合膜有著復雜而精細的結構。
北京時間12月9日，《自然》以長文形式在線發表了中科院植物研究所（以下簡稱植物所）匡廷云院士團隊與浙江大學張興團隊聯合完成的突破性研究成果。
他們首次解析了大麥中一個包含55個蛋白亞基的葉綠體超分子復合體的高分辨率空間結構，該復合體是目前最大的已獲得高分辨率結構的高等植物葉綠體超分子復合體，并首次揭示了光合膜上這個“綠巨人”的組裝原理。
解析“大塊頭”的精細結構
“光合作用中光能的吸收、傳遞和轉換發生在光合膜上，是由光合膜上具有一定分子排列和空間構象的蛋白質超分子復合體完成的。”匡廷云在接受《中國科學報》采訪時說，光合膜上有光系統I和光系統II等多個超分子復合體，是光能高效吸收、傳遞和轉化的場所。
該研究首次解析的“綠巨人”就是由其中多個超分子復合體進一步組裝而成的。論文通訊作者、植物所研究員韓廣業告訴《中國科學報》，此前研究已經得知該復合體由3個大基團組成，是一個龐大而復雜的結構。但其具體組成和精細結構尚不清楚。
匡廷云解釋說，光合作用的電子傳遞在光合膜上有兩種類型，一種是線性電子傳遞，另一種是圍繞光系統I的環式電子傳遞。
環式電子傳遞是光能轉化途徑之一，也調控著二氧化碳的高效固定。而該超分子復合體就與環式電子傳遞鏈有密切關系。搞清楚“綠巨人”的精細結構，對理解光合作用光能轉化調控機理有非常重要的理論意義。
“國際上有幾個先進的研究團隊在做這項研究。這次我們首先發表了它的高分辨率結構，得益于長期堅持不懈的努力。”匡廷云說。
韓廣業告訴《中國科學報》，像“綠巨人”這么大的超分子復合體很難獲得，要想獲得它的結構并不容易。經過多年實驗，他們最終分離提純到該超分子復合體，并利用冷凍電鏡“看”到了它的高分辨率結構。
論文共同第一作者、植物所研究員王文達介紹，大麥光系統I—NDH復合體由2個光系統I亞復合體、1個NDH亞復合體及一個未知蛋白USP組成，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1.6MDa。其中，NDH是一個類還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶復合體。
“這是目前最大的已獲得高分辨率結構的高等植物葉綠體超分子復合體。”匡廷云說。
揭示環式光電子傳遞的結構基礎
在獲得了大麥光系統I—NDH復合體高分辨率結構之后，該團隊進一步解析了復合體中各個基團之間的相互作用和組裝原理。
論文第一作者、植物所已畢業博士研究生沈亮亮介紹，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復合體中進行的，通過光驅動光系統II和光系統I反應中心的電荷分離及光合電子傳遞，將光能轉化為化學能，形成ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和還原力NADPH，用于暗反應中的二氧化碳固定。光系統I和光系統II催化兩種類型光合電子傳遞，分別為環式電子傳遞和線性電子傳遞。
通過光誘導水裂解產生的電子依次經過光系統II、細胞色素b6f和光系統I，最后形成還原力NADPH，這樣的電子傳遞方式被稱為線性電子傳遞。在這個過程中，質子被泵入類囊體囊腔中，產生跨膜質子梯度來驅動ATP合酶合成ATP。
沈亮亮說，如果電子經過光系統I后沒有形成還原力NADPH，而是返回到質體醌庫和細胞色素b6f中，并繼續返回到光系統I中，這種圍繞光系統I進行的電子傳遞方式被稱為環式電子傳遞。這一過程僅產生跨膜質子梯度并形成ATP，而不產生還原力NADPH。
韓廣業解釋說，圍繞光系統I的環式電子傳遞在調節植物光合作用中ATP/NADPH的比例、滿足二氧化碳固定、各種生理反應需求和調節光合生物響應環境變化等方面具有重要作用。
而NDH介導的圍繞光系統I的環式電子傳遞是光合環式電子傳遞的主要途徑之一，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具有重要功能。
他們的研究首次揭示了光系統I中兩個特殊天線亞基的精確位置和結構特點，其介導了光系統I與NDH之間的相互作用；首次揭示了10個高等植物葉綠體特有的NDH亞基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，對維持該超分子復合物的穩定有著重要的功能。
“我們解析的大麥光系統I-NDH復合體高分辨率結構，揭示了高等植物葉綠體光系統I-NDH復合體介導環式光合電子傳遞調控的結構基礎。”匡廷云說。
為提高光合效率提供新思路
匡廷云團隊長期關注光合作用機理研究。她告訴《中國科學報》，這項研究結果不僅對深入理解環式光合電子傳遞調控的機制具有重要意義，而且還有助理解被子植物在進化過程中如何適應陸生光環境。
她說，進化史上，植物登陸前生活在海水中，光線會隨著水深的增加而逐漸減弱，水生生物的光合作用“善于”捕捉各種光強的光線，以充分吸收和利用太陽光能。然而，隨著被子植物登陸，生活環境發生了巨大變化，其中一個顯著變化就是光照變強了。于是，光合膜適應陸生環境，進化出抗強光照射的光保護機制，這使得被子植物得以生存下來。
匡廷云指出，光合生物的光系統是不盡相同的。大麥是一種高等植物，因此，大麥光系統I—NDH復合體的空間結構有典型性，同時也能為研究其他植物的葉綠體超分子復合體提供參考。
“大麥既是一種糧食作物，也是一種飼草作物。”匡廷云說，這項研究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。
韓廣業說，了解了光系統I—NDH復合體的空間結構之后，就可以利用合成生物學技術，構建新型高效的光合膜電子傳遞線路，優化光合膜能量傳遞途徑，為打造高光效、高固碳光合元件和模塊提供新思路。
“大麥的基因組圖譜是很清楚的，所以這項研究也為設計高產和高抗逆性的優質飼草及作物提供了新的技術路線。”匡廷云說。
相關論文信息：//doi.org/10.1038/s41586-021-04277-6
