绿色植物光合作用体系既要保持多云天气变化的捕光效率，又要避免在强光持续照射下引发的氧化损伤。光合作用体系如何调控膜蛋白质分子的空间结构，快速应变环境光照条件变化，保持吸光量子效率？这是一个困惑了植物学家和生物学家半个多世纪的长期问题，发现和认识其反应机理对于设计基因突变，提高农作物产量具有重大指导意义。文章共同第一作者，深圳湾实验室系统与物理生物学研究所王英杰副研究员、中科院物理研究所李昊博士，发现高等植物主光合体系的捕光天线（LHCII）本身是一个分子机器（图1），通过强光照耀下局部升温和酸度增加的环境信号快速诱导蛋白质变构运动，导致叶黄素-叶绿素色素相对距离减小，从而更有效的将多余激发态光能转换成无害的震动热能（图2）。这一分子机器机理紧密构建了外界环境条件、分子层次动力学结构、及生物体系表观现象的因果关系，解决了光合体系量子效率的一个核心问题。
图1. 热及酸度驱动LHCII三聚体分子开关剪叉式运动工作原理（左）及剪叉式升降机构（右）类比示意图。
这一理论与实验高度结合的研究工作由深圳湾实验室系统与物理生物学研究所量子生物学课题组、美国明尼苏达大学化学系和中科院物理研究所软物质物理实验室合作完成。通过超快光谱实验和分子动力学模拟结合多态密度泛函理论计算，研究人员发现温度升高或者酸度增加都能够显著导致聚体条件下LHCII激发态荧光淬灭，并且证明这一现象归结于外界环境条件引发捕光主蛋白LHCII局部二级结构变化，进而诱导整体跨膜蛋白螺旋夹角增加的变构效应（图1）。这种变构效应可以归结为机械剪叉式运动，其关键是局部二级结构调控起到一个开关作用：（1）在高光及高酸度条件下快速形成两个螺旋体结构，关闭开关，将多余的激发能以热的形式耗散到环境、切断能量传递通路、避免过量光能造成反应中心的氧化损伤实现光保护功能；（2）在低光条件下，光子密度减少，光合作用细胞内部酸度降低，开通开关，恢复捕光天线通路及激发态能量高效率传递。
图2. 分子动力学-多态密度泛函理论计算表明电子态耦合分布密度与温度变化的关联性。图中展示的是LHCII三聚体中叶黄素分子1（Lut1）和附近的叶绿素分子（Chl）相互作用关系。
部分工作分别得到了国家自然基金会、科技部重点研发高性能计算专项和美国NIH的资助。
论文标题：Dynamical and allosteric regulation of photoprotection in light harvesting complex II
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11426-020-9771-2
DOI：https://doi.org/10.1007/s11426-020-9771-2
撰稿 | 深圳湾实验室量子生物学课题组
编辑 | 白 白、远 山
