近距离观察菠菜糖分构建机制中的一种蛋白质齿轮，使我们离提高粮食作物产量更近了一步。研究人员利用电子显微镜提供的最高分辨率成像技术，追踪了这种机制中的一个关键复合物——细胞色素b6f的轮廓。
研究团队在一篇11月13日发表在《自然》杂志上的论文中表示，了解这种蛋白质复合物的设计可能有助于科学家重新设计它，以提高菠菜或其他植物的作物效率。其结果可能是为不断增长的全球人口更高效地生产更多食物。
澳大利亚国立大学ARC卓越转化光合作用中心博士后研究员玛丽亚·叶尔马科娃表示，获得关于细胞色素b6f结构的这些细节“非常令人兴奋”，她没有参与这项研究。她说，这些发现并没有完全解答关于该复合物如何发挥作用的长期存在的问题，但它们为阐明其结构和活性之间的关系奠定了基础。
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英国谢菲尔德大学生物化学家、该论文的共同资深作者马特·约翰逊说，细胞色素b6f的一个已知功能是它在光合作用“瓶颈”中的作用。作为糖分构建过程中减速的位点，该复合物是效率调整的目标。约翰逊指出，几项 其他研究 专注于细胞色素b6f，这些研究表明，提高其组分蛋白质的产量可以转化为植物生长的增加。
蛋白质复合物b6f。 来源：谢菲尔德大学
阳光启动植物的糖分制造工厂，作为光合作用的第一步，为叶绿素中的电子提供能量。然后，植物利用捕获的能量在涉及两个连续系统的过程中构建糖分。这些糖分对植物生长至关重要，因此高效的光合作用反过来意味着高效且旺盛的产量。
细胞色素b6f复合物连接了光合作用的两个主要系统，并处理太阳能激发的电子。一些电子的能量用于引导质子（单正电荷）进入一个储存区域，像电池一样储存起来，直到植物需要它们。随后，这些质子的流动为分子的组装提供动力，这些分子将提供构建糖分所需的能量。
细胞色素b6f还决定了带能量电子的两种命运：它可以将它们从第一个主要的光合作用系统推入第二个系统，在那里植物构建糖分。并且它可以将它们循环回来，以驱动更多的质子进入储存。
约翰逊和他的同事使用了一种称为冷冻电子显微镜或冷冻电镜的技术，来获得他们对细胞色素b6f的放大视图。在从日常菠菜叶中纯化出该复合物后，他们将包含纯化复合物的溶液放在波纹碳网上，并将整个东西浸入冷却至约零下190摄氏度的液态乙烷中。
通过轻轻地向样品束射电子，研究人员创建了该复合物的轨迹，并将它们合并成三维图像。这些图像显示了细胞色素b6f的组成部分，细化到单个分子水平。该过程还允许研究人员捕捉到该复合物在其功能的不同阶段，显示了可能调节其如何处理电子和质子的形状变化。
例如，他们发现叶绿素有一个分子尾，可能决定了细胞色素b6f中电子的命运。他们看到尾部与复合物相互作用并呈现两种可能的位置：在一种位置中，它阻止了携带电子的分子沉降到细胞色素b6f上的一个位点。在另一种位置中，尾部改变了形状，为分子结合让路，使其电子可以被访问。
约翰逊和他的同事写道，这些和其他结构细节指出了细胞色素b6f如何响应环境信号而改变形状。当植物需要减缓光合作用以避免损害时，例如在光线过度照射期间，这些变化会减慢光合作用。
但约翰逊说，理解这些变化也可能“为改进提供更精细的目标”，从而解除该过程的制动。他和他的共同作者写道，操纵光合作用对于提高作物产量和确保到2050年为预计的97亿人口提供充足的食物至关重要。