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。该团队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，相关成果发表于国际顶级学术期刊《自然》。
研究团队通过直接冷冻并成像完整水稻叶绿体，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）超级复合物的精细结构。这一突破性发现解决了传统研究方法中因去垢剂破坏天然脂质环境导致的外周天线亚基脱落问题，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，核心区域分辨率更高达2.3埃，并构建了C₂S₂M₂L₄型原子模型。与过去体外纯化的C₂S₂M₂型结构相比，此次原位结构包含30个外周天线亚基，其中新增的4个L型LHCII三聚体此前几乎无法在体外环境中保留。该结构还首次识别出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，为光合作用复合物的组成提供了精确数据。
研究特别关注了PsbR亚基的N端环区结构。该区域在类囊体膜基质侧形成独特的“盾牌”状结构，恰好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重要线索，可能对提高作物光能利用效率具有潜在应用价值。
团队在水稻类囊体膜中直接观察到PSII—LHCII超级复合物的三种二聚体形式：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。研究提出，PSII复合物不仅承担光能转换功能，还通过其多聚体网络结构参与支撑类囊体膜的堆叠，这一发现挑战了传统对类囊体膜结构的认知。
该成果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篇研究论文，也是张凯教授团队年内第二次在《自然》期刊发表重要成果。这项研究不仅在基础科学层面取得突破，更为开发高效人工光合系统、提高作物产量提供了新的理论依据。
