7月29日，中国科学技术大学公布了一项重要科研突破：生命科学与医学部张凯教授团队联合国内外学者，首次在植物天然膜环境中，直接解析出光合作用核心复合物的高分辨率原位结构。这项研究不仅揭示了植物高效利用太阳能的内在机制，还阐明了类囊体膜堆叠的分子基础，为理解植物光能转换的“核心奥秘”提供了全新的理论支撑。
相关成果已发表在《自然》（Nature）期刊上，论文标题为《In situ structures of plant photosystem supercomplexes》。值得一提的是，这是2026年以来，中国科学技术大学以第一署名及通讯单位在CNS三大顶刊发表的第11篇成果，也是张凯教授团队年内第二篇《自然》论文。合作方包括荷兰阿姆斯特丹自由大学的Roberta Croce教授，以及安徽医科大学第一附属医院高新院区的朱家鹏教授。
那么，这次突破到底新在哪里？
过去二十余年间，冷冻电镜与X射线晶体学虽已成功解析体外纯化样品的光合作用复合物结构，但存在一个关键缺陷：去垢剂会破坏天然脂质环境，导致部分结合较弱的外周天线亚基在纯化过程中脱落。此次，研究团队创新性地直接冷冻并成像完整的水稻叶绿体，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）超级复合物的高分辨率原位结构。
研究结果令人瞩目：团队获得的PSII—LHCII（捕光复合体II）超级复合物平均分辨率达到2.89 Å，核心区域分辨率更是高达2.3 Å，并成功构建了C₂S₂M₂L₄型原子模型。
水稻叶绿体类囊体膜中光合超级复合物的原位冷冻电镜单颗粒分析流程及其高分辨率密度图
一个关键对比在于：此前体外纯化的C₂S₂M₂型结构仅包含18个外周天线亚基，而本次原位结构直接解析出30个亚基，其中包括4个过去几乎无法保留的L型LHCII三聚体。这表明，在天然原位条件下，各亚基之间的相互作用比此前预期更为紧密且完整。
更具体而言，该结构在PSII核心及内层天线区域共识别出305个叶绿素分子、52个类胡萝卜素分子、8个质体醌分子以及111个天然脂质分子。此外，研究还发现PsbR（PsbR亚基）的N端环区在类囊体膜基质侧形成一个“盾牌”状结构，恰好位于质体醌交换通道的上方，可能起到调控作用。
水稻类囊体膜中多种PSII-LHCII高阶形式及类囊体膜堆叠的“骨架”网络模型
进一步地，研究团队首次在水稻类囊体膜中直接观察到PSII—LHCII超级复合物的三种二聚体类型：并列式、跨腔侧和跨基质侧。这些二聚体还能进一步组合成三聚体和四聚体，形成横向延伸、贯穿相邻膜层的网络结构。研究认为，PSII不仅承担光能转换的核心功能，还可能在支撑类囊体膜堆叠方面发挥重要作用。
可以说，这项研究从“原位”视角出发，将植物光合作用机器的结构完整度提升到了全新高度。
