Nature子刊：调节光合作用的“量子开关”

一项新的研究揭示了光收集复合物II (LHCII)的量子开关机制，这对有效的光合作用至关重要。这一发现，通过先进的低温电镜和理论计算，证实了LHCII在调节植物能量转移中的动态作用。

　　

光合作用是植物利用阳光将二氧化碳转化为有机化合物的重要过程。光收集复合物II (LHCII)由附着在蛋白质上的色素分子组成。它在两种主要作用之间交替:在强光下，它通过非光化学猝灭将多余的能量以热的形式消散;在弱光下，它有效地将光传递到反应中心。

最近的生物工程研究表明，加快这些功能之间的转换可以提高光合作用效率。例如，大豆作物的产量增加了33%。然而，触发这种调节的LHCII中精确的原子水平结构变化以前是未知的。

NPQ的分子机制和酸度诱导的一些关键结构因子的变化驱动LHCII三聚体在光捕获和能量猝灭状态之间切换。

创新研究方法

在一项新的研究中，由中国科学院物理研究所翁玉祥教授领导的研究人员，以及深圳湾实验室高家丽教授的团队，结合单粒子低温电子显微镜(cryo-EM)在原子分辨率下对LHCII的动态结构进行研究，并利用多态密度泛函理论(MSDFT)计算光合色素分子间的能量传递，以确定光合色素分子间能量传递的量子开关。

作为他们工作的一部分，他们报道了一系列六种低温电镜结构，包括在中性和酸性条件下溶液中LHCII的能量转移态和膜纳米盘中横向受限LHCII的能量猝灭态。

这些不同结构的比较表明，LHCII在酸化过程中发生了构象变化。这种变化仅在LHCII被限制在膜纳米盘中时，才会变变改变荧光猝灭位点Lutein1 (Lut1) -叶绿素612 (Chl612)的色素间距离，导致激发的Chl612被Lut1猝灭。因此，受侧压约束的LHCII(例如聚集的LHCII)是非光化学猝灭(NPQ)的先决条件，而酸诱导的构象变化增强了荧光猝灭。

光合作用中的量子开关机制

通过低温电镜结构的MSDFT计算和已知的猝灭态晶体结构，结合瞬态荧光实验，揭示了LHCII的重要量子开关机制，其中Lut1-Chl612距离是关键因素。

这个距离调节了能量转移量子通道，以响应LHCII上的侧压力和构象变化，即在其临界距离5.6 ?处的微小变化将允许在光收集和多余能量耗散之间进行可逆切换。这种机制能够快速响应光强的变化，确保光合作用的高效率和LHCII作为量子开关的平衡光保护。

荧光衰减率、Lut1-Chl612电子耦合强度与Lut1-Chl612分离距离的关系，以及Lut1-Chl612距离与不同LHCII结构中TM螺旋A和B交叉角的关系图。资料来源:物理研究所

此前，这两个研究小组合作进行了分子动力学模拟和超快红外光谱实验，并提出LHCII是一种变构调节的分子机器。他们目前的实验低温电镜结构证实了先前理论预测的LHCII的结构变化。

参考文献:Cryo-EM structures of LHCII in photo-active and photo-protecting states reveal allosteric regulation of light harvesting and excess energy dissipation” by Meixia Ruan, Hao Li, Ying Zhang, Ruoqi Zhao, Jun Zhang, Yingjie Wang, Jiali Gao, Zhuan Wang, Yumei Wang, Dapeng Sun, Wei Ding and Yuxiang Weng, 31 August 2023, Nature Plants.

本研究得到了中国科学院、国家自然科学基金和深圳市科技创新委员会的项目支持。