植物如何高效利用太阳能？中国科大联合团队提供全新研究框架

7月29日，中国科学技术大学传来一个有意思的突破：生命科学与医学部张凯教授团队联合中外学者，首次在植物天然膜环境中，直接解析了光合作用核心复合物的高分辨率原位结构。这项研究揭示了植物如何高效利用太阳能，以及类囊体膜堆叠的分子机制，可以说为理解植物光能转换的“内功心法”提供了全新的理论基础。

相关成果已发表在《自然》（Nature）期刊上，题目是《In situ structures of plant photosystem supercomplexes》。这已经是2026年以来，中国科大以第一署名及通讯单位在CNS三大顶刊上发表的第11篇成果。同时，这也是张凯教授团队年内第二篇《自然》论文。合作方包括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。

那么，这次突破到底新在哪里？

过去20多年，冷冻电镜和X射线晶体学虽已解析出体外纯化样品的光合作用复合物结构，但有一个硬伤：去垢剂会破坏天然脂质环境，导致部分结合较松散的外周天线亚基脱落。研究团队这次直接冷冻并成像完整的水稻叶绿体，在保留类囊体膜天然脂质环境的条件下，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。

结果相当亮眼：团队获得的PSII—LHCII（捕光复合体II）超级复合物平均分辨率为2.89 Å，核心区域更是达到2.3 Å，并成功构建了C₂S₂M₂L₄型原子模型。

水稻叶绿体类囊体膜中光合超级复合物的原位冷冻电镜单颗粒分析流程及高分辨率密度图

一个关键对比：此前体外纯化的C₂S₂M₂型结构只包含18个外周天线亚基；而这次原位结构直接拿下了30个，其中包括4个过去几乎无法保留的L型LHCII三聚体。这意味着，原位条件下，众多亚基之间的相互作用比想象中更紧密，也更完整。

更具体地说，该结构在PSII核心及内层天线区域识别出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。研究还发现，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，恰好位于质体醌交换通道的上方。

水稻类囊体膜中多种PSII-LHCII高阶形式及类囊体膜堆叠“骨架”网络模型

更进一步，团队首次在水稻类囊体膜中直接观察到PSII—LHCII超级复合物的3类二聚体：并列式、跨腔侧和跨基质侧。这些二聚体还能进一步组合成三聚体和四聚体，形成横向延伸、贯穿相邻膜层的网络。研究认为，PSII除了承担光能转换的核心功能，还可能在支撑类囊体膜堆叠方面扮演重要角色。

可以说，这项研究从“原位”视角，把植物光合作用机器的结构完整度提升到了一个新高度。