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光合作用光反应过程是在一系列镶嵌在光合膜上的蛋白质超分子机器中进行的，通过光驱动光系统II（PSII）和光系统I（PSI）反应中心电荷分离及光合电子传递，将光能转化为化学能（ATP和NADPH），用于暗反应二氧化碳固定。PSI和PSII催化两种类型光合电子传递，分别为线性电子传递和环式电子传递。在环式电子传递路径中，由NDH蛋白复合物介导的围绕PSI的环式电子传递是其中的主要路径之一，这条路径对维持光合固碳过程中ATP的供应及逆境胁迫条件下类囊体膜基质氧化还原状态具有重要功能，但此前对于这条路径中的关键超大膜蛋白复合物PSI-NDH结构和调控机制的认识并不清楚。
2021年12月9日，中科院植物所光合膜蛋白结构生物学研究组在Nature发表了题为Architecture of the chloroplast PSI-NDH supercomplex in Hordeum vulgare的研究论文。该研究以饲用/食用作物——大麦为研究材料，利用冷冻电镜技术首次解析了大麦叶绿体PSI-NDH超分子复合物的高分辨率结构，揭示了高等植物PSI-NDH介导光合环式电子传递调控的结构基础。
PSI-NDH复合物整体结构包含55个蛋白亚基、298个叶绿素分子、67个类胡萝卜素分子和25个脂分子，总分子量约1.6兆道尔顿，是目前解析到的植物叶绿体中最大的光合膜蛋白复合物结构。
图1 高等植物大麦PSI-NDH的整体结构
这一结构揭示了PSI中特殊天线亚基和高等植物叶绿体中10个特有NDH亚基的精确位置和结构特点，同时也揭示了亚基间的相互作用及复合物组装原理。这些研究结果有助于深入理解光合环式电子传递调控的机制，为利用合成生物学技术构建新型高效光合膜电子传递线路、优化光合膜能量传递途径、打造高光效和高固碳光合元件和模块提供新思路。
该研究对于理解被子植物在进化过程中适应陆生光环境具有重要意义，对提高饲草及作物光能转化、二氧化碳固定效率及抗逆能力具有重要指导意义，也为设计高产和高抗逆性的优质饲草及作物提供新的技术路线。
中科院植物所已毕业博士研究生沈亮亮（目前为南方科技大学冷冻电镜中心博士后）、浙江大学博士研究生汤凯璐、植物所研究员王文达为论文共同第一作者，植物所研究员韩广业和浙江大学教授张兴为论文共同通讯作者。中科院院士、植物所研究员匡廷云等参与了该研究。该研究工作得到了国家重点研发计划、中科院先导专项、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中科院青促会以及中央高校校长专项等项目资助，并得到中科院植物所公共技术服务中心和浙江大学医学院冷冻电镜中心与蛋白质平台技术支持。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04277-6
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