研究揭示植物在捕光态和能量淬灭态间的切换机制

自然状态下太阳光辐照强度可在短时间内发生十几倍涨落。植物要维持正常的生长状态，必须能够在低光条件下保持高效捕光和传能（捕光态），又要在高光条件下避免强光辐照损伤（光保护态、能量淬灭态或淬灭态）。植物光合系统已进化出在高、低光条件下的状态切换功能。由于从光保护态切换到捕光态的速率滞后于光强的动态变化，理论计算表明该滞后效应可导致高达20%的光合效率损失。实验上，美国科学家通过基因工程提高状态切换速率实现光合效率的提升。Long课题组2016年将烟草光合效率提升了15%；2022年将大豆种子产量提高了约33%。实验表明，高等植物光系统II主体捕光天线（Major Light-Harvesting Complex II，LHCII）是实现这一状态切换功能的色素-蛋白复合体。然而，LHCII是如何感知光强发生的动态变化、实现状态切换的分子机理尚不清楚。

1994年，德国科学家Kühlbrandt等报道了通过二维晶体电子衍射法解析的豌豆LHCII 3.4Å分辨率的三维结构。2004年，我国科学家柳振峰，常文瑞院士和匡廷云院士等，报道了采用X射线晶体学方法解析的菠菜LHCII 2.72Å分辨率的三维结构。该工作提供的一套高精度的静态结构数据，为后续LHCII能量传递和光保护分子机理的动态结构研究奠定了基础。2020年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室翁羽翔课题组与深圳湾实验室量子生物学、美国明尼苏达大学化学系高加力课题组，应用稳态、瞬态可见及红外光谱，结合全原子分子动力学模拟和量子化学计算，揭示了光合膜中LHCII通过热和酸诱导的蛋白质构像变化，实现了捕光态到淬灭态间的切换。具体而言，外界环境的变化诱导LHCII囊腔侧蛋白质构像的变化，驱动LHCII中一对交叉跨膜螺旋A、B做剪切运动，导致位于跨膜螺旋侧向叶黄素-叶绿素a（Lut1-Chl612）色素对的间距减小。同时，计算表明该色素对间的距离减小导致两者电子态耦合强度增加，从而将叶绿素a多余的激发能量传递给叶黄素的暗态（S₁态），后者以热的形式有效地将能量耗散掉。在此基础上，科学家提出了蛋白质变构效应调控LHCII状态切换的分子机制。上述LHCII的动态结构是基于分子动力学模拟的结果，亟需蛋白质动态结构变化的直接验证。  

近日，翁羽翔课题组与高加力课题组合作，结合单颗粒冷冻电子显微镜技术与多态密度泛函理论计算，在实验结果和理论计算共同在原子分子水平上，揭示了高等植物LHCII在高效捕光和光保护功能间的切换机理。该研究解析了不同pH值下装载在纳米膜盘（Nanodisc）中（约束态）和溶液中（松弛态）的LHCII的六种高分辨率冷冻电镜结构：中性条件下纳米膜盘及溶液中的未质子化LHCII结构；酸性条件下纳米膜盘及溶液中分别获得的未质子化和质子化结构（图1）。其中，纳米膜盘通过多肽链形成直径约10nm环箍，给LHCII施加以侧向压力，模拟了LHCII在光合膜上聚集后导致的荧光淬灭状态，获得了LHCII荧光部分淬灭态的结构，而LHCII在溶液中的松弛结构则为捕光态结构。冷冻电镜结构表明：在不同pH（7.8/5.4）下，约束或聚集对LHCII造成的侧向压力是发生荧光淬灭实现光保护的先决条件；与LHCII的非质子化结构相比，质子化的LHCII在囊腔侧发生了明显的构象变化，即由3₁₀-螺旋（3₁₀-helix）转变成α-螺旋（α-helix），同时C端的无规卷曲（random coil）结构转变为短α-helix，且只有在约束或聚集条件下，该构象变化才能增强荧光淬灭效应。由此，研究获得了从捕光态（溶液）到部分淬灭态（纳米膜盘：中性及酸性条件）及淬灭态（晶体结构已知）一系列结构及激发能淬灭中心Lut1-Chl612色素对间的精确距离。该工作应用量子力学计算了不同结构中叶绿素激发能的淬灭速率，且与实验结果高度吻合。

实验结果和理论计算表明，Lut1-Chl612之间存在一个在5.6Å的临界距离。在该临界值附近很小的变化（0.02Å）便足以使LHCII从捕光态转变到淬灭态。计算表明，该临界点对应的是不同的传能机制，即小间距时，能量淬灭通过波函数重叠导致电子交换的Dexter机制实现；而大间距时则遵循偶极-偶极相互作用的Förster经典传能机制。可见，LHCII是通过蛋白质动态结构的变化实现量子传能和经典传能模式间的可逆切换。从这种意义上说，LHCII分子开关是一个不折不扣的量子开关。

LHCII冷冻电镜的结构证实了酸性条件分子动力学模拟结构，支持了先前提出的LHCII通过蛋白质变构效应实现传能态到淬灭态可逆切换的剪切模型。相关研究成果以Cryo-EM Structures of LHCII in Photo-Active and Photo-Protecting States Reveal Allosteric Regulation of Light-Harvesting and Excess Energy-Dissipation为题，发表在《自然-植物》（Nature Plants）上。研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委员会和深圳市科技创新委员会的支持。

图1. LHCII在纳米膜盘及溶液中不同pH条件下解析出的六种冷冻电镜结构。a、LHCII在纳米模盘中的三种结构；b、LHCII在溶液中的三种结构。