植物光合系統既要在多雲或陰天低光照條件下保持高效捕光和傳能效率，又要在正午強光持續照射下避免由此引發的氧化損傷即光保護。植物的光保護功能是將過剩的激發能以熱的形式耗散掉。在自然環境中，太陽光的輻照強度可以在短時間內呈現出十幾倍的漲落。當雲的陰影遮蔽住受強光輻照的葉片後，葉片還會將光保護狀態持續數分鐘之久，然後才切換到捕光狀態。理論計算表明，由於狀態開關切換的滯後效應，可以導致20%的光能損失。2016年，美國科學家通過遺傳基因工程，獲得開關恢復速率加快的突變株，發現其淨光合效率比野生型增加約15% (Science, 2016,354,857)。
那麼光合系統是如何調控蛋白質分子空間結構以快速響應環境光照條件的變化，實現低光照條件下高效能量傳遞及接近90%的電荷分離量子效率、並在強光照條件下快速切斷傳能通道進入光保護狀態的？這個問題困擾了科學家近半個世紀，對該問題的回答並闡明其微觀機理對於分子育種以提高農作物產量具有重大的指導意義。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質物理實驗室翁羽翔課題組，深圳灣實驗室量子生物學、美國明尼蘇達大學化學系高加力課題組和Gianlugi Veglia教授合作，應用超快時間分辨螢光光譜及脈衝升溫(T-jump)-納秒時間分辨中紅外瞬態光譜結合全原子分子動力學模擬及量子化學計算，實驗與理論密切配合，揭示了高等植物光系統II主要捕光天線蛋白色素複合物(Light Harvesting Complex II，LHCII)三聚體，作為蛋白質分子機器，是如何實現高效捕光和光保護功能間可逆切換的機理。該研究表明，強光照射下的局部升溫和光解水導致的光合膜囊腔側酸度的增加所產生的驅動力，在微秒時間尺度內誘導LHCII蛋白質變構運動，導致捕光色素對葉黃素-葉綠素間的距離減小，發生葉綠素激發態被葉黃素分子淬滅的能量轉移過程，由此將多餘的激發態能量有效地轉換成熱能而耗散掉，從而實現了由高效捕光到激發態能量耗散狀態間的快速切換。這一分子機器的作用機理密切關聯了光合系統外部環境條件(環境溫度，水的蒸騰作用，光合膜的硬度)、內部分子層次動態結構變化、以及植物表觀現象的因果關係，解決了光合體系如何可逆地實現由低光照條件下的高效捕光/傳能功能切換到高光照條件下的光保護功能這一個核心科學問題。
該研究揭示，聚集態的LHCII三聚體的螢光壽命和強度受溫度和酸度調控，溫度升高或者酸度增加都能夠導致顯著的螢光淬滅現象。通過螢光壽命分析表明，LHCII存在兩種構像體，即長壽命的捕光構像(light-harvesting, H)和短壽命的能量淬滅構像體(Quenching, Q)。另外系統在較高的溫度下通常還存在變性的蛋白構像(Denatured, D)。因而在變溫過程中，系統中存在三種構像體，即H、Q 和D。結合螢光壽命和強度分析，可以嚴格得到三者相對含量隨溫度的變化關係。結果表明，淬滅態Q的含量隨溫度升高而增加，在55℃左右，達到最大值 (圖1)。另外，蛋白的熱穩定性分析表明，LHCII三聚體在55℃以下的結構變化幾乎是完全可逆的。
圖1. 升溫促使LHCII三聚體由傳能狀態到激發能淬滅狀態的轉換示意圖。
隨後應用自主研發的高精度脈衝升溫—納秒時間分辨中紅外光譜儀(Rev. Sci. Instr. 2015,86,053105),結合變溫傅立葉變換紅外光譜，研究了LHCII三聚體在熱脅迫下發生的結構變化，指認了囊腔側處於部分親水的310螺旋E（Helix E）的二級結構譜峰位置，並通過單點突變重組蛋白(S123G)進一步證實了對關鍵二級結構310螺旋結構E的光譜指認。實驗表明溫度升高與酸度增加都會促使囊體腔側一段處於鬆弛狀態的310螺旋E向結構更緊湊的α-螺旋轉變。熱脅迫下310螺旋E向α-螺旋轉變的時間約1微秒，新生的α-螺旋向疏水內核區插入的時間約1.24微秒 (圖2)。
圖2. 脈衝升溫—時間分辨中紅外光譜及動力學(a，b)(上半圖)。實驗表明新生α-螺旋插膜過程的時間尺度為1.24 μs (b)。分子動力學模擬結果(下半圖)。分子動力學模擬揭示升溫過程中處於鬆弛狀態的3 10螺旋結構(E.M1: Helix E in Mononomer 1，藍色部分)和相鄰單體中的一段無規捲曲結構(C-terminus in Mononomer 2，藍色部分)會協同轉變為α-螺旋（紅色部分）。
全原子分子動力學模擬結果表明，在升溫過程中，蛋白質部分結構單元會發生失水作用，導致結構單元間的疏水作用增強，引起310螺旋E和相鄰的LHCII單體中的一段無規捲曲結構協同轉變為α-螺旋，並引起α-螺旋E和D向疏水核內部插入運動，從而在原子尺度上闡釋了脈衝升溫—時間分辨中紅外光譜觀察到的蛋白質二級結構的變化。α-螺旋E和D插膜運動引起的別構效應驅動一對交叉排列的跨膜螺旋A和B發生剪切運動，導致附著於跨膜螺旋對上的葉綠素分子與相鄰的葉黃素分子之間的間距隨溫度的升高或酸度的增加而變小。進一步通過量子化學計算，揭示葉黃素分子(LUT)暗態(S1態)和葉綠素a激發態電子態耦合強度在一定的溫度範圍內，也隨溫度升高而增強，導致葉綠素激發態的能量淬滅，並且能量淬滅主要發生在LUT-Chl612這一色素對上(圖3)。
圖3. 不同溫度下LHCII三聚體中葉黃素分子1 (Lut1)和葉綠素分子間電子態耦合強度以及葉黃素分子的構像扭曲。
更為詳細的圖像是(圖4)，當310螺旋E轉變為α-螺旋後，觸發螺旋E和D在類囊體腔側的插膜運動，並分別以螺旋D端的殘基L206與螺旋B末端殘基V80、L84構成剪叉內側作用力的支點，以螺旋E端的殘基W97與螺旋A在類囊體腔側剪叉的末端殘基F194、F195構成另一作用力的支點。類囊體腔側的螺旋E與D在熱能或酸度的驅動下形成一對頂槓，以螺旋A、B交叉點處的鹽橋(Arg70-Glu180, Glu65-Arg185)為鉸點，分別從跨膜螺旋A與B交叉面內側將剪叉式排列的螺旋頂開，導致剪叉角度增加，帶動兩個剪叉式排列的葉黃素分子做相應的開叉運動，縮短了葉黃素分子與相鄰的葉綠素分子之間的距離，增強了色素對間電子態的耦合，提升了葉綠素激發態能量的淬滅效率。尤其在低溫條件下，位於腔側的穀氨酸(E94)與螺旋E近端的賴氨酸K99形成氫鍵，隨著溫度的升高，螺旋E逐漸朝中心靠近，E94-K99之間的相互作用減弱，而E94與處於螺旋E中段的谷醯胺Q103形成新的氫鍵，這說明E94協同參與了螺旋E的插膜過程。上述模型與分子生物學中單點突變的實驗結果相符合，如將E94突變成電中性甘氨酸，會導致葉綠素螢光淬滅效率降低。可見E94恰如開關中的觸臂，K99及Q103分別為兩個觸點，當E94與K99相觸的時候，系統處於高效捕光態，而當E94與Q103相觸的時候，則處於光保護狀態。
圖4. 熱能及酸度驅動LHCII三聚體分子開關剪叉式運動工作原理(左)及剪叉式升降機構(右)類比示意圖。
可見，LHCII恰如剪叉式升降機一樣的分子開關 (圖4)，在熱能或酸度誘導的疏水作用下，觸發螺旋E與D向疏水內核的插膜運動，將動力分別傳給剪叉的兩臂螺旋A與B，引起像剪叉式升降機一樣的運動，迫使葉黃素分子和相鄰的葉綠素分子相互接近，從而實現葉綠素激發態的能量淬滅。從分子機器的角度可得出以下三個推論：
（1）插膜運動速率是能量淬滅過程的速率決定步驟，時間尺度為1.24微秒，因此光合系統能量耗散也應該在這個時間尺度。文獻報導的實驗結果表明，活體葉片能量耗散的時間尺度為1.4微秒。
（2）從機械的角度考慮，腔側螺旋插膜作用需要經過幾道環節的傳遞才能夠到轉變為跨膜螺旋的剪叉升降運動，而傳遞過程中涉及的機械單元是典型的軟物質，因而光合膜剛度越大，力的傳遞效率越高，能量耗散的效果也就越好，這點也為已知實驗事實所證實。
（3）能量淬滅態對應的是交叉跨膜螺旋對頂角更為張開的狀態，因而處於光保護狀態的光合膜應當變薄(圖4，左)，這一點也與文獻報導實驗觀測相符。
上述分子機制不僅與迄今報導的眾多生物學實驗觀測相符，還揭示了植物是如何應用穩態溫度和瞬態溫度來實現高效能量耗散、同時又可以避免蛋白質熱變性的。一般情況下，當環境溫度為25℃時，葉片的溫度可達40℃。葉片對激發能的耗散馳豫時間為10微秒量級，進一步估算10微秒內吸收的光子數全部變成熱量可以引起LHCII三體瞬態溫度上升14℃，並且該瞬態溫度持續時間遠小於100微秒的蛋白質開始變性的條件，因此不會引入額外的蛋白質變性。此時處於能量耗散狀態的瞬態溫度達到54℃，正好處於能量淬滅的最佳溫度附近，而蛋白質的穩定性則由穩態溫度40℃決定。可見自然界利用高瞬態溫度實現最優化能量淬滅，同時維持較低的葉片穩態溫度以保證蛋白質結構的完全可逆性。
該項工作以「Dynamical and Allosteric Regulation of Photoprotection in Light Harvesting Complex II」為題在線發表於Science China Chemistry。中科院物理所博士生李昊和深圳灣實驗室副研究員王英傑為論文的並列第一作者，翁羽翔和高加力為共同通訊聯繫人。
該研究得到了國家自然科學基金委重點項目(21433014)和中國科學院科研儀器設備研製項目(YZ200842,YJKYYQ20170046)的支持。分子動力學模擬工作分別得到了國家自然基金委、科技部重點研發計劃高性能計算專項和美國NIH的資助。
原文連結DOI：10.1007/s11426-020-9771-2
編輯：米老貓