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植物所科研人員等首次解析大麥葉綠體PSI-NDH膜蛋白超大分子復合物空間結(jié)構(gòu)
光合作用光反應(yīng)過程是在一系列鑲嵌在光合膜上的蛋白質(zhì)超分子機器中進行的，通過光驅(qū)動光系統(tǒng)II（PSII）和光系統(tǒng)I（PSI）反應(yīng)中心電荷分離及光合電子傳遞，將光能轉(zhuǎn)化為化學能（ATP和NADPH），用于暗反應(yīng)二氧化碳固定。PSI和PSII催化兩種類型光合電子傳遞，分別為線性電子傳遞和環(huán)式電子傳遞。在環(huán)式電子傳遞路徑中，由NDH蛋白復合物介導的圍繞PSI的環(huán)式電子傳遞是主要路徑之一，這條路徑對維持光合固碳過程中ATP的供應(yīng)及逆境脅迫條件下類囊體膜基質(zhì)氧化還原狀態(tài)具有重要功能，此前對于這條路徑中的關(guān)鍵超大膜蛋白復合物PSI-NDH結(jié)構(gòu)和調(diào)控機制的認識并不清楚。
植物所光合膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學研究組和浙江大學研究團隊以飼用/食用作物——大麥為研究材料，利用冷凍電鏡技術(shù)首次解析了大麥葉綠體PSI-NDH超分子復合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了高等植物PSI-NDH介導光合環(huán)式電子傳遞調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該復合物整體結(jié)構(gòu)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1.6兆道爾頓，是目前解析到的高等植物葉綠體中最大的光合膜蛋白復合物結(jié)構(gòu)。
這一結(jié)構(gòu)揭示了PSI中特殊天線亞基和高等植物葉綠體中10個特有NDH亞基的精確位置和結(jié)構(gòu)特點，同時也揭示了亞基間的相互作用及復合物組裝原理。這些研究結(jié)果有助于深入理解光合環(huán)式電子傳遞調(diào)控的機制，為利用合成生物學技術(shù)構(gòu)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。
該研究對于理解被子植物在進化過程中適應(yīng)陸生光環(huán)境具有重要意義，對提高飼草及作物光能轉(zhuǎn)化、二氧化碳固定效率及抗逆能力具有重要指導意義，也為設(shè)計高產(chǎn)和高抗逆性的優(yōu)質(zhì)飼草及作物提供新的技術(shù)路線。
該研究成果于2021年12月9日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊Nature上，植物所已畢業(yè)博士研究生沈亮亮、浙江大學博士研究生湯凱璐、植物所研究員王文達為論文共同第一作者，植物所研究員韓廣業(yè)和浙江大學教授張興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(chǔ)研究領(lǐng)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(shù)服務(wù)中心和浙江大學醫(yī)學院冷凍電鏡中心與蛋白質(zhì)平臺技術(shù)支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04277-6
高等植物大麥葉綠體中PSI-NDH的整體結(jié)構(gòu)
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