中国科学技术大学在植物光合作用研究领域取得重大突破。该校生命科学与医学部张凯教授团队联合荷兰阿姆斯特丹自由大学Roberta Croce教授、安徽医科大学第一附属医院高新院区朱家鹏教授，首次在植物天然膜环境中解析了光合作用核心复合物的高分辨率原位结构，为理解植物如何高效利用太阳能提供了全新视角。相关成果已发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature）。
研究团队通过直接冷冻完整水稻叶绿体并成像，在保留类囊体膜天然脂质环境的条件下，成功解析了PSII（光系统II）和PSI（光系统I）超级复合物的原位结构。这一方法突破了传统冷冻电镜和X射线晶体学依赖体外纯化样品的局限——此前技术因使用去垢剂可能破坏天然脂质环境，导致部分结合松散的外周天线亚基脱落。此次解析的PSII—LHCII（捕光复合体II）超级复合物平均分辨率达2.89埃，核心区域更精细至2.3埃，并构建了C₂S₂M₂L₄型原子模型。
对比发现，原位结构包含30个外周天线亚基，较体外纯化的C₂S₂M₂型结构多出12个，其中包括4个过去几乎无法保留的L型LHCII三聚体。研究还首次在PSII核心及内层天线区域识别出305个叶绿素、52个类胡萝卜素、8个质体醌分子和111个天然脂质分子。进一步分析显示，PsbR亚基的N端环区在类囊体膜基质侧形成“盾牌”状结构，恰好位于质体醌交换通道上方，可能参与调控光合作用电子传递链。
团队还首次在水稻类囊体膜中直接观察到PSII—LHCII超级复合物的三类二聚体：并列式、跨腔侧和跨基质侧二聚体。这些二聚体可进一步形成三聚体和四聚体，并构成横向延伸、贯穿相邻膜层的网络结构。研究指出，PSII不仅承担光能转换功能，其形成的网络结构还为类囊体膜堆叠提供物理支撑，解释了类囊体膜如何通过分子相互作用维持其高度有序的层状结构。
该成果是张凯教授团队年内第二篇发表于《自然》的论文，也是中国科学技术大学2026年以来以第一署名及通讯单位在《自然》《科学》《细胞》三大国际顶尖期刊上发表的第11篇研究。此次突破为优化作物光能利用效率、设计人工光合系统提供了关键结构基础，标志着植物光合作用研究进入原位结构解析的新阶段。
