植物光合作用在实践中的应用（科学家破解植物光合作用的关键机制）

2019年11月14日，Nature杂志在线发表了来自英国谢菲尔德大学Matthew P. Johnson课题组题为“Cryo-EM structure of the spinach cytochrome b6 f complex at 3.6 Å resolution”的研究论文。

该研究使用了冷冻电子显微揭示了高等植物菠菜中光合作用中的重要成分之一——细胞色素b6 f复合体的高分辨率结构，并揭示了其作用的新细节，及根据不断变化的环境条件调节光合作用效率的机制。

光合作用是地球上最重要的生化反应，能利用大阳能把将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的过程。光合作用十分复杂，包括光能的吸收、传递和转化以及碳同化等一系列光物理、光化学和生理生化过程。光合作用起始于色素分子的光吸收而产生激发态。激发能快速有效地在捕光色素之间传递，最终将激发能传递到光系统II反应中心，导致电荷分离这个原初反应的发生。电子传递给原初电子受体脱镁叶绿体，进一传递后最终参与NAHPH还原力的形成，同时释放氧气和质子（见下图）。

图1.光合作用（Annu. Rev. Plant Biol. 2008. 59:89–113）

细胞色素b6f（cyt b6f）复合体在氧的光合作用中起着核心作用，将光系统I和II之间的电子转移联系起来，并将太阳能转化为跨膜质子梯度，用于ATP合成。cyt b6f内的电子转移通过Q循环发生，通过两个电子催化氧化质醌为PQH2以及质蓝素（PC）和质体醌（PQ）的还原。在高等植物中，cyt b6f也充当氧化还原传感中心，对调节光收集和循环电子传递至关重要，从而可防止代谢和环境胁迫。以前研究表明，通过控制这种复合物的水平，可以生长出更大更好的植物。因此，要进一步了解cytb6 f的调控作用并可能对其进行改良以改善作物生长，还需要了解高级植物该复合物的结构。

该研究利用冷冻电子显微镜（cryo-EM）揭示了菠菜中细胞色素cyt b6f 二聚体复合物的3.6埃分辨率结构，揭示了Q循环及其氧化还原传感功能的结构基础。结构表明，菠菜cytb6 f复合体天然结合的PQ的位置，并提供了有关PQ与Qn位点结合，Qp位点的叶绿素门控以及Q循环期间这些位点之间的PQ交换所涉及的构象转换的详细信息。因此，该研究获得了菠菜的cytb6 f复合物高分辨率结构模型，揭示了细胞色素b6 f作为传感器的新作用的新细节，并可根据不断变化的环境条件调节光合作用效率。

菠菜中cytb6 f复合物的冷冻电镜结构

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1746-6