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新華社北京5月21日消息，光合作用是地球上生命體賴以生存的基礎(chǔ)，對它的科學(xué)研究已持續(xù)了兩百多年，但仍有很多未解之謎。記者21日從中科院獲悉，該院生物物理所的研究團(tuán)隊在光合作用研究中獲得重要突破，在國際上率先解析了高等植物（菠菜）光合作用超級復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。該項研究工作發(fā)表在最新出版（5月19日）的國際頂級期刊《自然》上。

20日，柳振峰、李梅、章新政（由左至右）手拿超級膜蛋白復(fù)合體的樣品合影。因超級膜蛋白復(fù)合體中的葉綠素吸收大部分的紅光和紫光，不吸收綠光，該實驗室內(nèi)的燈光全部為綠色光源以保護(hù)葉綠素樣品。

據(jù)介紹，基于結(jié)構(gòu)的光合作用機(jī)理研究具有重要的理論意義，同時也將為解決能源、糧食、環(huán)境等問題提供具有啟示性的方案。1985年，德國馬普生物化學(xué)所的戴森豪福等首次解析了紫細(xì)菌光合作用反應(yīng)中心的晶體結(jié)構(gòu)，獲得了1988年的諾貝爾化學(xué)獎。

近年來，國際上圍繞藍(lán)細(xì)菌、藻類和高等植物光合作用的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究陸續(xù)獲得了一系列進(jìn)展，但關(guān)于植物光系統(tǒng)II的結(jié)構(gòu)研究卻相對滯后，這被認(rèn)為是光合作用研究領(lǐng)域最后一個也是最受關(guān)注的超級復(fù)合物結(jié)構(gòu)。

章新政、李梅、柳振峰（由左至右）在中國科學(xué)院生物物理所的實驗室內(nèi)合影

光合作用是綠色植物利用太陽能把二氧化碳和水合成有機(jī)化合物并釋放出氧氣的過程，是地球上最大規(guī)模的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程，也是幾乎一切生命生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

據(jù)生物通網(wǎng)介紹，在太陽能的驅(qū)動下，植物、藻類和藍(lán)藻細(xì)菌都能通過光合作用將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為富能的有機(jī)化合物，并釋放出氧氣。在產(chǎn)氧光合作用中，初期的光物理和光化學(xué)過程主要是由兩個光系統(tǒng)：光系統(tǒng)I（PSI）和II（PSII）所介導(dǎo)的。本次的研究就是有關(guān)光系統(tǒng)II的。

“植物光合作用的原初反應(yīng)是從光系統(tǒng)II（Photosystem II）開始的，光系統(tǒng)II是一個超大膜蛋白－色素復(fù)合物。解析植物光系統(tǒng)II神秘而復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域的科學(xué)家們多年來一直追求的熱點和難點課題。”中科院生物物理所研究員柳振峰說。

經(jīng)過多年努力，中科院生物物理所柳振峰研究組、章新政研究組和常文瑞/李梅研究組通力合作，聯(lián)合攻關(guān)，通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了高等植物（菠菜）的光系統(tǒng)II－捕光復(fù)合物II（LHC-Ⅱ）超級膜蛋白復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)。

章新政在中國科學(xué)院生物物理所的實驗室內(nèi)展示冷凍電鏡

科學(xué)家介紹，光系統(tǒng)II具有獨(dú)特而神奇的裂解水分子和放出氧氣的功能，因此被認(rèn)為是人工模擬光合作用的理想模板，可為實現(xiàn)光能向清潔能源氫氣轉(zhuǎn)換提供具有啟示性的方案。

“我們解析了高等植物光系統(tǒng)II的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，并且獲得了其與外周捕光天線之間相互裝配原理和能量傳遞過程相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)信息。”柳振峰表示，這一突破為研究團(tuán)隊打開了一片全新的天地，有望在該領(lǐng)域中繼續(xù)深入挖掘，獲得更大更復(fù)雜的超級復(fù)合物研究成果。

此前，中國科學(xué)院家還解析了光系統(tǒng)I的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。2015年5月29日，《自然》雜志以封面文章的形式刊登介紹了中科院植物研究所的關(guān)于光系統(tǒng)I的研究成果。可以說，中國科學(xué)界對于人類理解光合作用捕光機(jī)理的研究處在了全球領(lǐng)先地位。

（綜合新華社、生物通、中科院植物研究所等）