這個地球上最重要的化學反應，產生的能量是全人類每年消耗的10倍

矽藻在碳、氮、磷、氧、矽等元素的迴圈中起到很大的作用，它的外殼就是天然的奈米材料，同時有極強的光合作用能力。科學家們對它進行了深入研究，發現了矽藻在深海吸收綠光的機制…

出品：格致論道講壇

以下內容為中國科學院院士

匡廷雲

演講實錄：

大家好，非常高興也非常榮幸，今天有機會在這裡跟大家交流一下我們光合膜蛋白團隊，在研究光合膜結構與功能研究道路上的經歷和體會。

光合作用是綠色植物利用太陽光能，把二氧化碳和水合成有機物放出氧氣。在地球上，陸地生態系統的植物以及海洋生態系統的光合生物，

它們每年透過光合作用合成了有機物，大約是2200億噸，相當於人類每年消耗的能耗的十倍

。

光合作用合成有機物放出的氧氣，幾乎是地球上所有的生命所需要的食物和氧氣的來源。它放出的氧氣是地球上大氣中氧氣的最初來源，當今人類文明所需要的古生物燃料，不管是煤、石油、天然氣都是古代植物光合作用直接和間接的產物。

▲ 光合作用的意義

光合作用是地球上最大規模的能量和物質轉換過程，是人類賴以生存和發展的物質基礎。光合作用的研究多次獲得諾貝爾獎，所以諾貝爾獎評委會評價

光合作用是地球上最重要的化學反應。

它是重要的科學問題，而且與當今人類面臨的能源、資源、環境問題密切相關，但是光合作用研究的

核心問題是光合作用的高效吸能、傳能、轉能機理

。

▲ 葉綠體模型

光合作用高效吸能、傳能、轉能的過程是在光合膜上，具有一定的分子排列和空間構象的葉綠素蛋白複合體和有關載體中進行的。

▲ 光合膜及膜蛋白複合物模式圖

要把光合膜蛋白的結構與功能結合起來，才能最終闡明光合作用高效吸能、傳能、轉能的微觀機理。因為在光合膜上能量的傳遞效率大約是94%到98%，能量的轉換幾乎是百分之百。

一旦把

光合作用

吸能、傳能、轉能的機理

，

光合膜結構與功能的分子機理的研究取得革命性的突破

，在理論和實踐上的意義是非常大的。

光合膜蛋白創新團隊的歷史和傳承

已完成：20% //////////

中國科學院植物所光合膜團隊研究的歷史，應該追溯到半個多世紀以前，

已完成：20% //////////

▲ 湯佩松先生

在半個多世紀以前，他就在我國開啟了植物呼吸作用與光合作用的研究。而我本人在六十年代初從蘇聯留學回來以後，在湯先生的領導下開始了光合作用的研究。

▲匡廷雲在蘇聯莫斯科大學學習

在八十年代初，我應邀到美國密西根州立大學和美國能源部合辦的植物實驗室，跟Arnzen C。J教授合作研究光合膜蛋白的結構功能，取得了重要的成果。回國以後，我在中國開始了光合膜結構功能的研究領域。

/

但是對我們中國光合膜結構與功能研究影響最深刻的、影響最大的應該是在上個世紀1986年在美國召開的第七屆光合作用大會。非常榮幸，我被邀請作為此次大會報告會的主席。

/

▲紫色光合細菌反應中心膜蛋白三維空間結構解析

在這次大會上邀請了德國馬普生物物理研究所的哈特穆特·米歇爾團隊，在會上報告了他們的紫色光合細菌反應中心光合膜蛋白空間結構的解析，這是在科學前沿最富有挑戰的領域裡取得這樣重大的突破。

因為膜蛋白是脂質膜蛋白複合體，它不溶於水。所以當時在晶體學生化和化學界都認為不溶於水的脂質膜蛋白不可能拿到結晶。但是哈特穆特·米歇爾把這種不可能變成了可能。

也就是說，

//

//

也就是在這樣一個科學前沿，這樣一個最富有挑戰領域取得這麼大的突破，在整個會場上沸騰了，每個參會的科技工作者心裡產生了巨大的震撼。兩年以後，他們獲得了

//

▲1988年諾貝爾化學獎獲得者：哈特穆特·米歇爾、羅伯特·胡貝爾、約翰·戴森霍費爾

這個會議開完以後，我就回到了中國。我跟我的老師

//

彙報了這次國際光合作用大會最大的亮點和最大的突破，就是德國馬普學會米歇爾團隊，紫色光合細菌反應中心膜蛋白三維空間結構的解析。

我覺得光合膜蛋白結構功能的研究太重要了，但是

/

湯佩松先生當時就給我下了決心，就說再困難我們中國也要開展，而且我們要進行學科交叉，就把

/

請來了。

▲“世紀之約”：湯佩松（左上）、樑棟才（右上）、匡廷雲（左下）、常文瑞（右下）

我們四個人在湯先生家的書房裡就開了一次會議，決定了我們中國一定要開展光合膜蛋白結構功能的研究，而且決定有錢也要做，沒有錢也要做。

所以我們把這次在湯先生書房裡頭開的這次會議，稱為

中國植物生理學家、中國植物生理學的泰斗湯佩松先生。

。從那個時候就拉開了中國科學家參與世界科學前沿光合膜蛋白結構功能研究的序幕。

緊接著就是植物所團隊和生物領域團隊緊密結合來開展光合作用，光系統Ⅱ反應中心結構與功能的研究。我們摸索了五年沒有突破，後來得不到經費的支援，這種結合也就停止了。但是我們光合膜蛋白的生化研究、功能研究一直在繼續。

我非常不甘心，上個世紀九十年代末，我主持了“973專案”，第一批光合作用的研究。我在這個專案裡，設立了第九子課題——光合膜蛋白空間結構研究。

植物所和生物物理所又結合起來公關，經費不夠，但得到“973專案”支援，也得到中科院的支援和國家自然科學基金委員會的支援。

經過五、六年生物物理所和植物所學科交叉，我們終於突破了

國際同行認為這是光合作用的一次重大突破，而且以全文的封面文章發表在Nature上。

▲高等植物豌豆PSI-LHCI 2。8 高解析度晶體結構（Qin et al。， Science， 2015）

這之後，中國科學院植物所的光合膜蛋白創新團隊，在2015年首次在原子水平上全面解析了光系統I及天線色素超分子蛋白複合體的空間結構，以長文形式發表在Science雜誌封面上。為闡明光系統I高效吸能、傳能、轉能的微觀機理打下了很好的基礎。

國際同行給予了很高的評價，認為這是一項里程碑性質的工作，而且認為是一項真正的突破，是一項典範的研究工作。同時在Science的同期刊物上，邀請國際同行專家撰寫了專題評論的文章，給予了高度的評價。

他們拿到了

已完成：50%

紫色光合細菌反應中心膜蛋白的晶體，而且成功進行了X光衍射，在原子水平闡明瞭它的空間結構。

/////

我們團隊在高等植物研究的基礎上，同時把目標聚集在海洋光合生物，特別是矽藻。

▲矽藻細胞

矽藻它在海洋裡頭有數萬種。有人說，

諾貝爾化學獎。

而且它在碳、氮、磷、氧、矽等元素的迴圈中也起很大的作用，它有很強的光合作用能力。它的外殼本身就是二氧化矽就是天然的奈米材料。它是浮游生物，在海洋的一定深度光質光量衰減，它能吸收綠光。

▲可見色光在海洋表面及不同深度的分佈

高等植物看到是綠色的一片片的麥田、一片片的森林。但是高等植物它進行光合作用主要吸收藍光和紅光，而綠光基本上不吸收。所以綠光反射，我們看到高等植物是綠色的。

但是矽藻，它在海洋的深處只有藍光和綠光，它能吸收綠光，它的機制是什麼？它是浮游生物，在海水的深層它吸收綠光包括藍光，但是它浮到海洋的表面它要抵抗強光的照射，所以它有極強的抗光氧化的能力。

湯佩松先生

但是，這些機制不清楚。

我們認為，它主要的是跟光合膜色素蛋白的結構和功能分不開，所以我們

國際上競爭太激烈，難度也很大。

。它是個巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白複合體，是目前

樑棟才先生和常文瑞先生

光合膜蛋白一次“世紀之約”的會議

▲矽藻天線蛋白複合物-巖藻黃素-葉綠素 a/c蛋白複合體（FCP）分離、結晶

那麼在分離提取光合功能鑑定的基礎上，我們拿到了它的結晶，而且經過同步輻射，包括上海光源和日本SPRING-8同步輻射光源。

▲FCP晶體X-射線衍射

經過X光衍射，我們在1。8A的原子水平的基礎上，

高等植物

它是一個同質兩聚體，而且在膜的表面與氫鍵相結合。而葉綠素c到葉綠素a的能量傳遞是百分之百，而且傳遞的時間速率是60到100飛秒。

更重要的就是巖藻黃素，它跟蛋白結合以後形成不同的的狀態，特別是兩端的六元環處在極性的狀態，就能使它的吸收光譜紅移，讓它吸收到綠區的綠光。所以在深水裡，它能吸收綠光，由於它有矽藻黃素，能夠抗強烈的光氧化。

▲矽藻光系統II-天線蛋白超分子複合物（PSII-FCP）結構

因此 ，我們就破解了矽藻吸收綠光及抗強光的分子機理，

第一個植物光合膜蛋白捕光葉綠素a/b蛋白複合體空間結構的解析。

這樣一個超大分子複合物的空間結構是二聚體，而且有70個蛋白亞基。

我們解析了300個葉綠素分子、150多個胡蘿蔔素的結構狀態，闡明瞭它們高效吸收綠光及傳能的途徑和抗光氧化及光保護的機制。

▲矽藻PSII-FCPII中的色素排布和能量傳遞

這兩項工作，使我們

矽藻的光合作用機制研究

矽藻的光合作用機制研究

，

矽藻的光合作用機制研究

Science期刊在同期邀請了國際著名的專家同行撰寫寫了專評，認為我們開展的這兩項矽藻的研究，是光合膜結構功能中捕光傳遞系統的里程碑性質的工作。

在這個工作以後，我們又第一次解析了紅藻，光系統I的核心複合物及天線色素，以及綠藻光系統II的核心複合物與天線色素的超分子結構。

也就是說，

/////

////

///

//

我們團隊多年來，研究了從原核到真核，從低等的光合生物到高等的光合生物，它們光合膜蛋白的結構功能的差異，進一步解釋了不同的光合生物，在不同的光合環境條件下，它們傳能、轉能的分子機理，而且也為光合作用，光系統演化的規律提供了基本的線索。

我們以上這些研究得到了各界的高度評價，幾年來的研究包括和合作者的研究入選了2019年中國科學十大進展，也入選了2019年中國科技十大進展新聞。2019年、2015年兩次分別入選了生命科學十大進展，而且同時入選了2019年海洋科學十大進展。

我個人也受到了國際光合作用及氫能持續發展大會，以及亞洲、大洋洲光生物學大會以及中國植物生理和植物分子生物學學會給予的榮譽。我非常感謝，但是我想這不是對我個人，是對我們的團隊和合作者研究工作的肯定。

最後我要講的一點是，這麼多年來持續研究，為光合作用研究的終極目標“徹底揭示光合作用高效轉能的分子機理”提供了堅實的結構基礎和分子基礎。

我們還要進一步站在科學的前沿，透過學科的交叉，來研究光合作用的終極目標，我想不僅能夠徹底揭示自然界光合作用高效轉能這樣一個機理。同時，也可能能

/

▲智慧化植物工廠 中國廈門中科三安

我想到，那個時候就可以

矽藻是海洋中的“霸道總裁”，因為它佔海洋生物合成原初生產力的40%，對全球來講是20%。

並能為提高作物的光能利用效率，設計新型的高光效植物，以及模擬光合作用開闢太陽能的新途徑、生產清潔能源、以及打造智慧化的植物工廠提供理論依據，並提供新思路、新途徑、新技術。

當然，我最後還要講，我想我們的團隊還會繼續跟合作者進行合作交叉，應該就是說進一步站在科學的前沿去發展新的領域。透過合成生物學等進一步改造光合生物，更滿足國家能源和農業的需求，為科技強國、為民族的復興進一步貢獻我們的力量。

這就是我今天要彙報的，我們團隊這幾年的工作。

謝謝大家！