植物如何高效地将太阳能转化为生命所需的化学能，一直是生物科学领域的核心课题。近期，中国科学技术大学生命科学与医学部张凯教授团队联合中外学者取得了一项重要进展，首次在植物天然膜环境中解析了光合作用核心复合物的高分辨率原位结构。这项研究成果《In situ structures of plant photosystem supercomplexes》已发表于国际学术期刊《自然》（Nature）上。
该项开创性的工作由中国科学技术大学生命科学与医学部张凯教授团队联合荷兰阿姆斯特丹自由大学的Roberta Croce教授以及安徽医科大学第一附属医院高新院区的朱家鹏教授共同推进。研究人员通过直接冷冻和成像完整水稻叶绿体，在保留类囊体膜天然脂质环境的条件下，成功解析了PSII（光系统 II）和PSI（光系统 I）超级复合物的高分辨率原位结构。
从技术细节来看，团队获得的PSII—LHCII（捕光复合体 II）超级复合物平均分辨率达到了2.89 Å，其核心区域的解析度更是达到了2.3 Å。这一高精度成像使得研究人员能够观察到该结构包含30个外周天线亚基，其中包含了4个过去几乎无法保留的L型LHCII三聚体。
更深入的分子层面分析显示，在水稻类囊体膜中，团队首次直接观察到了PSII—LHCII超级复合物的三种不同类型的二聚体：并列式、跨腔侧和跨基质侧二聚体。这些二聚体不仅能形成三聚体和四聚体，还能构建出横向延伸、贯穿相邻膜层的复杂网络结构。
研究团队对光合作用的理解也因此得到了拓展。除了PSII承担主要的光能转换功能外，研究还显示PSII参与了支撑类囊体膜堆叠的过程。此外，在分子组分层面，该结构被识别出305个叶绿素、52个类胡萝卜素、8个质体醌分子和111个天然脂质分子。
值得关注的是，研究还揭示了PsbR（PsbR 亚基）的N端环区在类囊体膜基质侧形成了一个“盾牌”状结构，其位置位于质体醌交换通道的上方。这为理解电子传递链中关键组分的空间排列提供了新的证据。
从背景知识的角度看，光合作用是地球生命活动的基础，而叶绿体的类囊体膜就是能量转换发生的主要场所。以往的研究多集中于分离纯化的复合物结构，难以还原其在天然、动态的脂质环境中的真实组装状态。中国科大联合团队的工作正是突破了这一限制。
影响分析方面，此次研究对理解光能捕获和电子传递的效率机制具有重要意义。通过解析这些复杂的超分子网络，科学家们可以更精确地描绘出太阳能如何被高效、有序地引导至反应中心进行化学能转化。
读者提示：了解这一成果有助于我们认识到生物系统内部结构的高度组织性和复杂性。光合作用的效率不仅仅依赖于单个蛋白质的性能，更是依赖于这些复合物在天然膜环境中的精确空间排列和相互支撑网络。
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