植物通过光合作用转换光能为化学能，支持地球上几乎所有生命形式的生存。在光合作用中，光能被叶绿体的类囊体膜所捕获，这一过程至关重要。类囊体膜的结构和组成直接影响光合作用的效率，尤其是在光照环境变化时。此次研究由Sam Wilson、Charlea D. Clarke、M. Alejandra Carbajal等人领衔，旨在深入探索类囊体膜上的一个关键现象——水疏性错配，及其如何调控光能的有效收集。

       水疏性错配是膜蛋白和周围脂质层之间由于亲水性和疏水性长度不匹配造成的一种现象。此前的研究已经显示，这种错配能够影响膜蛋白的功能，但其在光合作用中的具体作用尚不明确。该研究团队通过综合使用光谱学、荧光显微技术和分子动力学模拟等方法，系统地研究了水疏性错配如何影响类囊体膜上主要的光系统II（PSII）捕光复合体的结构和功能。

图片来源：JACS

        本研究的主要目的是探索蛋白质PsbS如何通过诱导类囊体膜中的水疏性错配来调节光合作用中的非光化学猝灭（NPQ）机制。研究采用了基因敲除和野生型拟南芥植物，利用高压冷冻和电镜技术详细观察了在光照和暗处理条件下类囊体膜的超微结构变化。通过这些高端技术，研究团队能够在分子层面上观察到PsbS蛋白如何引起膜脂的重排，并由此导致类囊体膜厚度的变化。

        此外，研究还通过光谱分析技术，如脉冲振幅调制（PAM）荧光法，评估了这些结构变化如何影响光能的捕获与转换效率。通过结合实验观察和分子动力学模拟，团队揭示了PsbS如何调控LHCII复合体的聚集状态和其光保护功能，特别是在光强环境下。

       本研究的发现不仅在科学上提供了对植物类囊体膜结构调控光合作用机制的新见解，而且在应用层面，为通过基因工程优化作物的光合作用效率和适应性提供了可能性。随着全球气候变化导致的环境压力增加，开发能够在不稳定光照条件下仍保持高效光合作用的作物变得尤为重要。此外，这项研究也强调了植物光保护机制的复杂性及其在全球碳循环中的重要作用。通过深入了解这些机制，科学家们将能更好地预测和管理植物对环境变化的响应，从而帮助保障食品安全和生态平衡。

标题：Hydrophobic Mismatch in the Thylakoid Membrane Regulates Photosynthetic Light Harvesting

作者：Sam Wilson, Charlea D. Clarke, M. Alejandra Carbajal, Roberto Buccafusca, Roland A. Fleck Vangelis Daskalakis, and Alexander V. Ruban*

链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c05220