Nature | 李姣/朱家鹏/张凯/Croce等原位解析类囊体膜堆叠与高效光合作用机制

光合作用是地球上几乎所有生命赖以生存的能量源泉。植物通过位于叶绿体类囊体膜上的光系统II（PSII）和光系统I（PSI）超级复合物，将太阳能高效转化为化学能，驱动着整个生态系统的运转【1,3】。近二十年来，科学家利用去垢剂（detergent）将膜蛋白复合物从类囊体膜中溶解并体外纯化，解析了多种光合复合物的静态结构，基本阐明了其核心亚基组成与色素排列【2-3】。然而，这些体外纯化结构与活体植物的生理测量数据之间始终存在难以调和的矛盾：体外结构展示的捕光天线系统（LHC）显著小于活体测量的实际尺度【4,5】，且许多外围关键亚基在去垢剂洗涤过程中极易脱落丢失。更重要的是，植物叶绿体基粒膜（Grana）如何实现三维高阶堆叠与形态维持，长期缺乏直接的原子分辨率分子证据。因此，该领域亟待解决的瓶颈问题是： 如何摆脱体外纯化去垢剂的束缚，在原生膜微环境中还原光合超级复合物的天然高阶结构，并破译其支撑类囊体膜堆叠的分子机制。

为了破解上述体外纯化失真与高阶组装未知的难题， 2026年7月29日 ，中国科学技术大学 张凯课题组 李 姣 特任副研究员（第一作者兼共同通讯）、 张凯 教授（共同通讯）、阿姆斯特丹自由大学 Roberta Croce 教授（共同通讯）、 Eduard Elias 博士（共同第一）以及安徽医科大学第一附属医院高新院区 朱家鹏 教授（最后通讯）合作在 Nature 上在线发表了题为 In situ structures of plant photosystem supercomplexes 的研究论文。研究团队利用基于细胞器水平的原位冷冻电镜单颗粒分析技术，直接对水稻（ Oryza sativa ）完整叶绿体进行冷冻成像，在保留天然脂质与膜环境的前提下，解析了平均分辨率达 2.89 Å（核心区达 2.3 Å）的完整C2S2M2L4型 psII-LHCII 超级复合物原位结构，补齐了此前丢失的 4 个 L-LHCII 捕光天线三聚体；同时首次观察到 psII 超级复合物在膜间形成的多种高阶二聚体网络，证实其作为“物理骨架”支撑类囊体膜堆叠的全新功能。结合能量传递物理计算，该研究揭示了植物高效捕光与光保护的动态协同机制， 立足细胞器原位研究，旨在构建贯通“微观分子-中观细胞器-宏观细胞”的跨层级认知桥梁 。

研究摒 弃了去垢剂 处理纯化膜蛋白复合物的传统方式， 直接提取水稻叶片中的完整叶绿体 ，并 进行冷冻制样与 高分辨 电镜成像（图1）。面对细胞器内部高度拥挤、重叠的密集微环境，团队 借鉴 了此前在哺乳动物线粒体超级复合物原位解析中 迭代颗粒筛选、多级交叉分类、局部构象分析以及 CTF 精修等综合策略【6】。通过 深度 分类，团队成功解析了水稻天然类囊体膜中多种光合超级复合物的高分辨率原位密度图：包括平均分辨率 2.89 Å（核心区域达 2.3 Å）的 C 2 S 2 M 2 L 4 型 psII-LHCII 复合物、平均分辨率 2.96 Å 的 psI-LHCI-LHCII 复合物以及 2.38 Å（最高局部达 1.7 Å）的 psI-LHCI 复合物。高清密度图清晰呈现了氨基酸侧链、叶绿素中心 Mg 原子、类胡萝卜素及 Mn₄CaO₅ 催化簇的精细特征。

图1：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 。

在 psII 超级复合物的天然组成与膜微环境研究中，原位结构展示了由 30 个外周天线亚基构成的完整 C 2 S 2 M 2 L 4 架构（图2）。与以往体外纯化的结构不同，本研究首次在原位膜中捕捉到了位于最外围、结合相对松散的 4 个 L-LHCII 三聚体（L-LHCII），填补了长期以来“体外结构与体内功能不符”的关键拼图。此外，原位模型精确鉴定了 305 个叶绿素、52 个类胡萝卜素、8 个质体醌分子（包括新鉴定的 Q C 与 Q D 位点，图2 e,f ），以及 111 个天然脂质分子（图2）。这些脂质充当“分子胶水”充填在亚基界面处，通过疏水相互作用与氢键网络维持复合物稳定，完美解释了去垢剂破坏脂质导致天线解离的机制。同时，基质侧 psbR 亚基的 N 端环区形成了跨越 D1/D2/CP43 的“盾牌”状结构，拱卫于质体醌交换通道上方。

图2：水稻天然 C 2 S 2 M 2 L 4 型 psII–LHCII 超级复合物的原位高分辨率原子结构、色素分布及脂质-质体醌结合网络 。

在探索类囊体膜高阶堆叠（Grana stacking）的分子机制方面，作者在水稻类囊体膜中首次直接观察到 psII-LHCII 超级复合物的高阶组装网络，明确了三种不同类型的天然二聚体组织形式：

1. 并列式（Side-by-side, SS）二聚体 ：同一膜层内的横向排列；

2. 跨腔侧（Trans-lumenal, TL）二聚体 ：面向类囊体腔侧的 psbO 亚基在相邻膜层间直接桥接（ 新型组织形式，首次报道 ）；

3. 跨基质侧（Trans-stromal, TS）二聚体 ： 明确 面向基质侧的 psbR 亚基环区在相邻膜层间形成接触。

进一步分析表明，这三种二聚体可继续组装成 TL-TS 三聚体、TL-TS-SS 四聚体和 TL-TS-TL 四聚体等高阶组装体，形成了一个贯穿相邻膜层并在膜平面内横向延伸的连续“骨架”网络（图3）。 这一发现首次从原子/近原子分辨率层面证实： PSII 不仅是光能转换的发动机，更是直接支撑与塑造类囊体膜三维堆叠形态的“物理骨架”，解答了植物学界长期悬而未决的细胞架构难题。

图 3 ： PSII-LHCII 超级复合物组装成支撑类囊体膜堆叠的“骨架”网络模型 。

为了验证该原位结构的生理真实性并探究其激子动力学，团队运用 modified Redfield / generalized Förster 混合理论开展了激子能量传递（EET）计算（图4）。结果显示， C 2 S 2 M 2 L 4 结构的激发能捕获平均寿命为 364.0 ps ，光化学量子效率（ Φ PSII ）为 83% ，与活体水稻及高等植物在低光适应状态下的生理实测数据 精准吻合（图4a,b）。计算还揭示了天线的层次化去填充（depopulation）速率：最内侧 M-LHCII 偶联最紧（去填充时间 9.8–12.2 ps），而最外侧新发现的 L-LHCII 传递较慢（39.5–57.4 ps，图 4 c）。这种“外松内紧”的结合模式赋予了最外层天线在光照变化时动态装卸的弹性，解释了植物光保护的分子机制。此外，计算证实跨基质侧和跨腔侧二聚体间的叶绿素距离过大（>52 Å），无法进行跨膜层能量传递，表明其高阶组装主要发挥 建构膜堆叠骨架 的功能。

图4：原位 PSII–LHCII 超级复合物的激子能量捕获与传递动力学计算及生理验证。

作者 还 同步对比了原位 psI-LHCI-LHCII 和 psI-LHCI 两种超级复合物，发现天然膜环境中完整的脂质网络维系了极易丢失的 psaG、 psaI、 psaN 和 psaO 等亚基。对比表明，当 LHCII 结合至 psI 时，会诱导 LHCI 天线带及外围亚基发生整体向内收缩重排，而 FRET 计算证实这种重排保障了从 LHCII/LHCI 到 psI 核心能量传输通道的稳健性（robustness）。

值得一提的是，该研究是合作团队继 2024 年在 Nature上 发表哺乳动物线粒体呼吸链超级复合 体高分辨 原位结构 （ 详见BioArt报道： ）【6】的开创性工作之 后，在能量转换细胞器结构生物学领域的又一重要突破。 研究也进一步表明，用原位结构生物学手段在细胞微环境中真实还原生命体在正常生理演变、环境应激乃至病理损伤状态下的全景分子图谱正在给细胞生物学带来前所未有的巨大潜力，并有望在未来彻底打通从微观结构到宏观生命体功能的认知边限。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10847-3

制版人： 十一

参考文献

1. Croce, R. & van Amerongen, H.Science369, eaay2058 (2020).

2. Su, X. et al.Science357, 815-820 (2017).

3. Pan, X. et al.Science360, 1109-1113 (2018).

4. Wientjes, E. et al.J. Phys. Chem. B117, 11200-11208 (2013).

5. Chukhutsina, V. U. et al.Nat.Plants6 , 860-868 (2020).

6. Zheng, W., Chai, P., Zhu, J. & Zhang, K.Nature631, 232-239 (2024).

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