中国科学技术大学生命科学与医学部张凯教授团队携手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，在植物光合作用研究领域取得重大突破。相关成果以《In situ structures of plant photosystem supercomplexes》为题，发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature），这是该校2026年以来以第一署名及通讯单位在Nature、Science、Cell三大期刊上发表的第11项研究成果。
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，首次解析了光系统II（PSII）和光系统I（PSI）超级复合物的高分辨率原位结构。传统研究依赖体外纯化样品，但去垢剂处理可能破坏天然脂质环境，导致部分外周天线亚基脱落。此次突破性成果解决了这一难题，为理解植物高效利用太阳能的机制提供了全新视角。
团队获得的PSII—LHCII（捕光复合体II）超级复合物平均分辨率达2.89埃，核心区域分辨率提升至2.3埃，并成功构建C₂S₂M₂L₄型原子模型。与过去体外纯化的C₂S₂M₂型结构相比，原位结构包含30个外周天线亚基，较之前增加12个，其中4个L型LHCII三聚体为首次观测到。该结构在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。
研究还发现，PsbR亚基的N端环区在类囊体膜基质侧形成“盾牌”状结构，位于质体醌交换通道上方。这一发现为理解光合作用电子传递链的调控机制提供了关键线索。团队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形式：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，构成横向延伸、贯穿相邻膜层的网络结构。
进一步分析表明，PSII超级复合物形成的网络结构不仅承担光能转换功能，还作为“骨架”支撑类囊体膜堆叠。这一发现挑战了传统认知，揭示了光合作用核心复合物在植物细胞器结构维持中的双重角色。该成果为设计人工光合系统、提高作物光能利用效率提供了重要理论基础，标志着植物光合作用原位结构研究迈入新阶段。
