研究团队合照
昨晚，西湖大学、西湖实验室闫浈团队在国际顶尖学术期刊《细胞》上连续发表两篇关联论文，报道了在叶绿体蛋白转运动力机制上取得的又一重大突破——他们揭示了叶绿体蛋白转运的动力机制及其进化多样性，为该领域的研究开辟了新的视野。
光合作用是地球上最重要的化学反应。而叶绿体作为植物特有的细胞器，是光合作用的“工厂”，其运作奥秘至今吸引着植物学家们不断探索。
叶绿体内约有3000种蛋白质，是维持植物生命活动的主力军。然而，95%的叶绿体蛋白都不是叶绿体自己合成的，而是由细胞核编码转运过来的。掌握蛋白质在植物内部结构中的转运通道和动力机理，就如同获得了开启叶绿体这座工厂的大门密钥。如今，这把密钥被闫浈团队找到了。
利用陆生植物中生长最快、材料易得的豌豆，闫浈团队构建了一套叶绿体蛋白转运实验系统，成功“捕捉”到了蛋白在豌豆中转运的一个瞬间。从模糊的电镜图像中，他们推测出TOC-TIC与Ycf2-FtsHi复合体可能是转运通道内的“马达”。
拟南芥Ycf2-FtsHi复合体（A）和TIC复合体（B）的高分辨率结构
为了验证这一猜想，团队在另一种植物——拟南芥上纯化出了内源性Ycf2-FtsHi复合体和内源性TIC复合体的高分辨率结构，并将这两个结构与先前在豌豆中取得的模糊的超级复合物图像进行拟合，发现两者高度吻合。这一发现直接证实了Ycf2-FtsHi复合物正是叶绿体门控系统的能量驱动者，即“马达”。
叶绿体蛋白转运系统、动力系统与超级复合体的结构拟合
随后，闫浈团队乘胜追击，利用同样的研究方法，陆续揭示了衣藻等光合生物中“马达”的结构。
这一系列研究揭示了陆生植物中转运系统及动力系统的组成、组装方式、运作机制及其协同作用的奥秘，为深入理解叶绿体蛋白的跨膜转运提供了坚实的理论基础与结构依据。掌握这些机理就像获得了叶绿体门控的钥匙，意味着我们将有望调控叶绿体大门的效率，使其加速通行，或调整其结构，仅允许特定蛋白通过，从而优化光合作用效率。
“若能运用这把密钥精细调控叶绿体门控，粮食作物的单位面积产量有望显著提升，同时植物的固碳能力也将大大增强。这一进展或许能助力解决粮食短缺难题，加速碳中和目标的实现，为地球的可持续未来铺平道路。”闫浈说。
两年前，也是闫浈实验室首次发现蛋白进入叶绿体需要经过TOC-TIC复合物，揭示了叶绿体这座工厂“大门”的样貌，解答了科学界悬而未决近四十年的疑问，相关成果也发表于《细胞》期刊。至此，闫浈实验室以五年里三篇被《细胞》收录的研究论文，完整揭开了叶绿体蛋白转运中“大门”和“马达”的模样。
作者：刘琦
文：刘琦图：西湖大学供图编辑：刘琦责任编辑：任荃
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