放氧光合作用是大規模利用太陽能把二氧化碳和水合成有機物并放出氧氣的過程，幾乎是一切生命生存和發展的基礎。放氧光合作用光能向化學能轉化的原初反應，通常由位于植物、藻類及藍藻等光合生物類囊體膜上的光系統在可見光的驅動下完成。Acaryochloris marina（A. marina）是以葉綠素d（Chl d）為主要光合色素的獨特藍藻，可通過Chl d吸收低能量的遠紅光驅動放氧光合作用。然而，A. marina光系統II（PSII）利用遠紅光的分子機制尚不清楚。
中國科學院植物研究所光合膜蛋白結構生物學研究組，聯合南方科技大學與浙江大學，利用冷凍電鏡技術首次解析了A. marina光系統II-捕光天線（PSII-Pcb）四聚體超大復合體的結構。這一超大復合體長、寬和高分別約為340 ?、200 ?和90 ?，由兩個PSII核心二聚體及兩側16個對稱的Pcb天線亞基組成，包含80個蛋白亞基和624個輔因子，總分子量約為1.9 Mda。每個PSII單體包含15個核心亞基、1個未知蛋白亞基和4個Pcb天線亞基。該結構首次揭示了A. marina光系統II反應中心電子傳遞鏈外圍配位體的特點、4種類型Pcb天線亞基的結構特征及超大復合體的組裝原理。基于復合體的結構特點和色素分子的排列情況，科研人員在這一復合體中發現了多條光能捕獲及傳遞途徑。
該成果打破了原有對于光系統II復合體存在形式和光能利用機制的認識，為揭示Chl d型藍藻利用遠紅光分子機制奠定了結構基礎，并為探討光合生物光能利用和光適應機制的多樣性提供了信息，有望對設計新型寬光譜光能利用光合系統和高光效作物提供啟示。
近日，相關研究成果發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、中國博士后科學基金、南方科技大學“校長卓越博士后”等的資助，并獲得植物所公共技術服務中心、南方科技大學科研公共服務平臺冷凍電鏡中心和浙江大學醫學院冷凍電鏡中心的支持。