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的环式电子传递是主要路径之一，该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，此前对于该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尚不清楚。
　　中国科学院植物研究所光合膜蛋白结构生物学研究组等以饲用/食用作物——大麦为研究材料，利用冷冻电镜技术首次解析大麦叶绿体PSI-NDH超分子复合物的高分辨率结构，揭示出高等植物PSI-NDH介导光合环式电子传递调控的结构基础。该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，是目前解析到的高等植物叶绿体中最大的光合膜蛋白复合物结构。该结构揭示了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，并揭示了亚基间的相互作用及复合物组装原理。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指导意义，有望为设计高产和高抗逆性的优质饲草及作物提供新技术路线。
　　相关研究成果于12月9日在线发表在Nature上。研究工作得到国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中科院青年创新促进会等的资助，并得到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的技术支持。
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　　高等植物大麦叶绿体中PSI-NDH的整体结构