7月27日，生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院秦曉春課題組在高等植物光合捕光機(jī)理研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以Structure of the red-shifted Fittonia albivenis photosystem I為題在《自然-通訊》（Nature Communications）期刊上以長(zhǎng)文形式發(fā)表。該項(xiàng)研究是與清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南方科技大學(xué)合作完成，濟(jì)南大學(xué)為第一完成單位。秦曉春教授和隋森芳院士為論文的共同通訊作者，濟(jì)南大學(xué)博士生李秀秀為論文共同第一作者。學(xué)校青年教師祝利霞、博士生郝晨陽(yáng)參與了該項(xiàng)工作。

植物干重的95%是光合作用的產(chǎn)物，是形成作物產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此提高光能利用率是提高作物產(chǎn)量的重要途徑。對(duì)于植物冠層而言，上層葉片對(duì)太陽(yáng)光的選擇性吸收導(dǎo)致冠層下部缺少可見(jiàn)光而富含紅外光；此外陸生植物光合主要利用可見(jiàn)光，而對(duì)紅外光的利用程度非常低，導(dǎo)致冠層下部葉片的光合能力較弱，進(jìn)而影響群體光合能力。拓寬捕光范圍至近紅外區(qū)是提高光能利用率與作物產(chǎn)量的重要途徑，是光合研究領(lǐng)域的前沿問(wèn)題。然而科學(xué)界一直未找到顯著利用近紅外光進(jìn)行光合作用的被子植物，影響了紅移葉綠素的分子機(jī)理及其應(yīng)用研究。

該研究首先從大量被子植物中篩選到網(wǎng)紋草（Fittonia albivenis）等一部分爵床科植物具有顯著增強(qiáng)的近紅外吸收（圖1），為研究紅移葉綠素提供了重要的自然范本，為開(kāi)發(fā)利用近紅外光挖掘出寶貴資源。

圖1：與擬南芥等高等植物相比，網(wǎng)紋草（Fittonia albivenis）具有紅移的吸收光譜和熒光光譜

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)光系統(tǒng)I及其捕光天線(xiàn)復(fù)合物（PSI-LHCI）是導(dǎo)致光譜紅移的原因，解析了Fa PSI-LHCI復(fù)合物2.46 ?分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，這是首個(gè)具有紅移吸收特征的被子植物PSI-LHCI結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2：Fa PSI-LHCI復(fù)合物2.46-?分辨率的空間結(jié)構(gòu)

通過(guò)與其它被子植物PSI-LHCI對(duì)比，觀(guān)察到Fa Lhca3的red Chls周?chē)嬖?處特殊的微環(huán)境，推測(cè)它們可能是調(diào)整red Chl能級(jí)的關(guān)鍵位點(diǎn)（圖3）。

圖3：Fa PSI-LHCI捕光天線(xiàn)Lhca3結(jié)構(gòu)與其它被子植物L(fēng)hca3結(jié)構(gòu)的對(duì)比推測(cè)導(dǎo)致葉綠素分子光譜紅移的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

《自然-通訊》期刊評(píng)委評(píng)價(jià)，該研究工作是紅移葉綠素研究的重大進(jìn)步，解析了被子植物如何利用紅外光驅(qū)動(dòng)光化學(xué)的分子基礎(chǔ)，不僅對(duì)揭示凈初級(jí)生產(chǎn)力具有重要貢獻(xiàn)，而且可能提供增加作物生物量產(chǎn)量的設(shè)計(jì)原則。該成果將推動(dòng)光合作用機(jī)理研究進(jìn)展，將為人工模擬光合作用、提高作物光能利用率提供新思路、新方法與新途徑。

該研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和泰山學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

撰稿：秦曉春    編輯：張雅靜    編審：張偉