含氧光合作用利用太陽能驅動水的氧化和二氧化碳(CO2)的還原，產生氧氣和碳水化合物，這對維持地球上幾乎所有的生命形式都是必不可少的。在光反應中，光系統I(PSI)和光系統II(PSII)將光能轉化為ATP和NADPH，用於固定CO2，在卡爾文-本森循環中形成碳水化合物。
光反應過程中有兩種類型的光合電子轉移途徑:線性和循環電子轉移。在線性電子轉移中，PSII從水中提取的電子通過質體醌、細胞色素b6f復合體、質體藍素、PSI、鐵氧還蛋白Fd和Fd-NADP+氧化還原酶轉移到NADP+上，形成NADPH；在電子傳遞的同時，質子通過Cyt b6f復合體中的質體醌從基質轉移到類囊體腔中，產生跨膜質子梯度用於ATP的產生。
然而，CO2固定需要更多的ATP，ATP是通過循環電子轉移產生的。在循環電子轉移中，PSI中的電子通過鐵氧還蛋白Fd、質體醌、Cytb6f復合體等電子轉運體返回PSI。，產生跨膜質子梯度合成更多的ATP而不產生NADPH。NDH介導的PSI循環電子轉移是循環電子轉移的主要方式之壹，對維持光合固碳過程中ATP的供應和逆境條件下類囊體膜基質的氧化還原狀態具有重要作用。然而，PSI-NDH的結構及其精確的調控機制仍不清楚。
本研究首次解析了高等植物PSI-NDH復合體的高分辨率結構，揭示了PSI-NDH介導的光合環電子傳遞調控的結構基礎(圖1)。
結果表明，PSI-NDH復合物含有兩個PSI-LHCI、1 NDH和壹個未知蛋白USP，包括55個蛋白亞基、298個葉綠素分子、67個類胡蘿蔔素分子和25個脂質分子，總分子量約為1.6 MDa。
這項研究首次揭示了PSI-LHCI中特殊天線亞基Lhca5和Lhca6的精確定位和結構特征，這兩個獨特的LHCI亞基介導了PSI-LHCI和NDH之間的相互作用。
首次揭示了高等植物10葉綠體在NDH亞基中的準確位置和結構特征。這些新的亞基與NDH的細胞內亞基相互作用並緊密結合，在維持PSI-LHCI-NDH的結構穩定性中起著重要作用。
首次揭示了PSI-LHCI-NDH的相互作用和依賴高等植物Lhca6和PnsB2的復合組裝原理。
此外，由於葉綠體NDH復合體接受來自Fd的電子，NDH和兩個PSI的結合會增加Fd的數量，這可能會促進電子從PSI轉移到NDH，尤其是在弱光條件下。
這些結果不僅對深入理解光合環電子傳遞調節機制，研究被子植物在進化過程中對陸地光環境的適應具有重要意義，而且對提高植物光能轉化、二氧化碳固定效率和抗逆性也具有重要的指導意義。為利用合成生物學技術構建新型高效光合膜電子傳遞回路，優化光合膜能量傳遞路徑，構建高光效、高固碳的光合元件和模塊提供了新思路。為設計高產、高脅迫的優質作物提供了結構基礎。
浙江大學基礎醫學院博士生唐開祿、植物研究所研究員王文達、沈為論文合著者，浙江大學基礎醫學院教授、植物研究所研究員沈、韓廣業為論文合著者。中國科學院院士、植物研究所研究員匡參加了研究。研究工作得到了國家重點R&D計劃、中科院試點項目、中科院基礎研究穩定支持青年團隊計劃、中科院青年促進會、中央高校校長專項的支持，也得到了中科院植物所公共技術服務中心、浙江大學醫學院冷凍電鏡中心和蛋白質平臺的支持。
圖形|張行研究小組
編輯|郭敬賢