近日，济南大学秦晓春课题组在高等植物光合捕光机理研究中取得重要进展，研究成果以Structure of the red-shifted Fittonia albivenis photosystem I为题在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上以长文形式发表。该项研究是与清华大学、复旦大学、南方科技大学合作完成，济南大学为第一完成单位。秦晓春教授和隋森芳院士为论文的共同通讯作者，济南大学博士生李秀秀为论文共同第一作者。学校青年教师祝利霞、博士生郝晨阳参与了该项工作。
植物干重的95%是光合作用的产物，是形成作物产量的物质基础，因此提高光能利用率是提高作物产量的重要途径。对于植物冠层而言，上层叶片对太阳光的选择性吸收导致冠层下部缺少可见光而富含红外光；此外陆生植物光合主要利用可见光，而对红外光的利用程度非常低，导致冠层下部叶片的光合能力较弱，进而影响群体光合能力。拓宽捕光范围至近红外区是提高光能利用率与作物产量的重要途径，是光合研究领域的前沿问题。然而科学界一直未找到显著利用近红外光进行光合作用的被子植物，影响了红移叶绿素的分子机理及其应用研究。
该研究首先从大量被子植物中筛选到网纹草（Fittonia albivenis）等一部分爵床科植物具有显著增强的近红外吸收（图1），为研究红移叶绿素提供了重要的自然范本，为开发利用近红外光挖掘出宝贵资源。
图1：与拟南芥等高等植物相比，网纹草（Fittonia albivenis）具有红移的吸收光谱和荧光光谱
进一步研究发现光系统I及其捕光天线复合物（PSI-LHCI）是导致光谱红移的原因，解析了Fa PSI-LHCI复合物2.46 Å分辨率的冷冻电镜结构，这是首个具有红移吸收特征的被子植物PSI-LHCI结构（图2）。
图2：Fa PSI-LHCI复合物2.46-Å分辨率的空间结构
通过与其它被子植物PSI-LHCI对比，观察到Fa Lhca3的red Chls周围存在3处特殊的微环境，推测它们可能是调整red Chl能级的关键位点（图3）。
图3：Fa PSI-LHCI捕光天线Lhca3结构与其它被子植物Lhca3结构的对比推测导致叶绿素分子光谱红移的结构基础
《自然-通讯》期刊评委评价，该研究工作是红移叶绿素研究的重大进步，解析了被子植物如何利用红外光驱动光化学的分子基础，不仅对揭示净初级生产力具有重要贡献，而且可能提供增加作物生物量产量的设计原则。该成果将推动光合作用机理研究进展，将为人工模拟光合作用、提高作物光能利用率提供新思路、新方法与新途径。
该研究成果得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和泰山学者计划项目的资助。
来源：济南大学