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【匡廷云团队首次解析光合作用“绿巨人”空间结构】光合作用是地球生物安全而又高效地获取太阳能量的主要途径。在植物中,运行光合作用的场所——光合膜有着复杂而精细的结构。

北京时间2021年12月9日凌晨0时,《自然》以长文形式在线发表了中国科学院植物研究所(以下简称植物所)匡廷云院士团队与浙江大学张兴团队联合完成的突破性研究成果https://t.cn/A6xjFl8p。

他们首次解析了大麦中一个包含55个蛋白亚基的叶绿体超分子复合体的高分辨率空间结构,是目前最大的已获得高分辨率结构的高等植物叶绿体超分子复合体,并首次揭示了光合膜上这个“绿巨人”的组装原理。

解析“大块头”的精细结构

“光合作用中光能的吸收、传递和转换发生在光合膜上,是由光合膜上具有一定分子排列和空间构像的蛋白质超分子复合体完成的。”中国科学院院士匡廷云在接受《中国科学报》采访时说,光合膜上有光系统Ⅰ和光系统Ⅱ等多个超分子复合体,是光能高效吸收、传递和转化的场所。

该研究首次解析的“绿巨人”就是由其中多个超分子复合体进一步组装而成的。论文通讯作者、植物所研究员韩广业告诉《中国科学报》,此前研究已经得知该复合体由三个大基团组成,是一个庞大而复杂的结构。但其具体组成和精细结构尚不清楚。

匡廷云解释说,光合作用的电子传递在光合膜上有两种类型,一种是线性电子传递,另一个是围绕光系统Ⅰ的环式电子传递。

环式电子传递是光能转化途径之一,也调控着二氧化碳的高效固定。而该超分子复合体就与环式电子传递链有密切关系。搞清楚“绿巨人”的精细结构对理解光合作用光能转化调控机理有着非常重要的理论意义。

“国际上有几个先进的研究团队在做这项研究。这次我们首先发表了它的高分辨率结构,得益于长期坚持不懈的努力。”匡廷云说。

韩广业告诉《中国科学报》,像“绿巨人”这么大的超分子复合体很难获得,要想获得它的结构并不容易。经过多年实验,他们最终分离提纯到该超分子复合体,并利用冷冻电镜“看”到了它的高分辨率结构。

论文共同第一作者、植物所研究员王文达介绍,大麦光系统Ⅰ—NDH复合体由2个光系统Ⅰ亚复合体、1个NDH亚复合体及一个未知蛋白USP组成,共包含55个蛋白亚基、298个叶绿素分子、67个类胡萝卜素分子和25个脂分子,总分子量约1.6 MDa。其中,NDH是一个类还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶复合体。

“这是目前最大的已获得高分辨率结构的高等植物叶绿体超分子复合体。”匡廷云说。

揭示环式光电子传递的结构基础

在获得了大麦光系统I(PSI)—NDH复合体高分辨率结构之后,该团队进一步解析了复合体中各个基团之间的相互作用和组装原理。

论文第一作者、植物所已毕业博士研究生沈亮亮介绍,光合作用光反应过程是在一系列镶嵌在光合膜上的蛋白质超分子复合体中进行的,通过光驱动光系统II和光系统I反应中心的电荷分离及光合电子传递,将光能转化为化学能,形成ATP(腺嘌呤核苷三磷酸)和还原力NADPH,用于暗反应中的二氧化碳固定。光系统I和光系统II催化两种类型光合电子传递,分别为环式电子传递和线性电子传递。

通过光诱导水裂解产生的电子依次经过光系统II、细胞色素b6f和光系统I,最后形成还原力NADPH,这样的电子传递方式称为线性电子传递。在这个过程中,质子被泵入类囊体囊腔中,产生跨膜质子梯度来驱动ATP合酶合成ATP。

沈亮亮说,如果电子经过光系统I后没有形成还原力NADPH,而是返回到质体醌库和细胞色素b6f中,并继续返回到光系统I上,这种围绕PSI进行的电子传递方式称为环式电子传递。这一过程仅产生跨膜质子梯度并形成ATP,而不产生还原力NADPH。

韩广业解释说,围绕光系统I的环式电子传递在调节植物光合作用中ATP/NADPH 的比例、满足二氧化碳固定、各种生理反应需求和调节光合生物响应环境变化等方面具有重要作用。

而NDH介导的围绕光系统I的环式电子传递是光合环式电子传递的主要途径之一,对维持光合固碳过程中ATP的供应及逆境胁迫条件下类囊体膜基质氧化还原状态具有重要功能。

他们的研究首次揭示了光系统I中两个特殊天线亚基的精确位置和结构特点,其介导了光系统I与NDH之间的相互作用;首次揭示了10个高等植物叶绿体特有的NDH亚基的精确位置和结构特点,这些新亚基与NDH的膜内亚基相互作用,对维持该超分子复合物的稳定有着重要的功能。

“我们解析的大麦光系统Ⅰ—NDH复合体高分辨率结构,揭示了高等植物叶绿体PSⅠ—NDH复合体介导环式光合电子传递调控的结构基础。”匡廷云说。

为提高光合效率提供新思路

匡廷云团队长期关注光合作用机理研究。她告诉《中国科学报》,这项研究结果不仅对深入理解环式光合电子传递调控的机制有重要意义,而且还帮助理解被子植物在进化过程中如何适应陆生光环境具有重要意义。

她说,进化史上,植物登陆前生活在海水中,光线会随着水深的增加而逐渐减弱,水生生物的光合作用“善于”捕捉各种光强的光线,以充分吸收和利用太阳光能。然而,随着被子植物登陆,生活环境发生了巨大变化,其中一个显著变化就是光照变强了。于是,光合膜适应陆生环境,进化出抗强光照射的光保护机制,这使得被子植物得以生存下来。

匡廷云指出,光合生物的光系统是不尽相同的。大麦是一种高等植物,因此,大麦光系统Ⅰ—NDH复合体的空间结构有典型性,同时也能为研究其他植物的叶绿体超分子复合体提供参考。

“大麦既是一种粮食作物,也是一种饲草作物。”匡廷云说,这项研究对提高饲草及作物光能转化、二氧化碳固定效率及抗逆能力具有重要指导意义。

韩广业说,了解了光系统Ⅰ—NDH复合体的空间结构之后,就可以利用合成生物学技术,构建新型高效的光合膜电子传递线路,优化光合膜能量传递途径,为打造高光效和高固碳光合元件和模块提供新思路。

“大麦的基因组图谱是很清楚的,所以这项研究也为设计高产和高抗逆性的优质饲草及作物提供了新的技术路线。”匡廷云说。https://t.cn/A6xYDL1C

【环保又省钱!首个城区全面实现核供暖的城市来了】

北方小城山东海阳寒意渐浓。记者推门走进凤凰国际乡村社区居民李建敏的家中,一股暖意袭来。他心情很舒畅,自己在家养护的绿植,终于可以无忧过冬了。

李建敏的小区,今年冬天用上了核能供热。“温度不再忽高忽低,取暖费也便宜了一些。”他笑着对记者说。

和传统的燃煤集中供暖相比,核能供热相对稳定。依靠核电站,源源不断的温暖通过管道输送到每家每户。不知不觉,这个小城的供热发生了颠覆性改变。

“锅炉都当废铁卖了!”

记者走进海阳市丰源热力有限公司的大门,发现曾看到过的一个40吨供暖热水锅炉已不见踪影。原来锅炉房的位置已经被改建为核能供热调度中心,锅炉也被拆卸,换成了换热器和输送热水的管道。

“不用烧煤了,我们把锅炉都当废铁卖了。”公司生产技术部经理李常科说,他从“炉长”摇身一变成为核能供热换热站负责人,负责将核电站传来的热量转送给千家万户。

6公里外,海边的核电站,核电机组高速运转,却又悄无声息。“所谓核能供热,是通过抽取核电机组部分已发过电的蒸汽作为热源,经过换热器进行多级换热,最后将热量传递给用户。”山东核电有限公司高级工程师赵守霞对记者说,整个过程中只有能量交换,没有包括水在内的介质交换,保证安全可靠。

核能发电产生的余热,通常做法是将高温冷却水直接排放入海,热能无法利用不说,较大温差会造成核电站周围海洋水温上升,破坏海洋环境。

山东核电集团设计管理处工程师李超介绍,现在,核能发电产生的余热,经管网进行多级换热后,最终抵达用户终端。

山东核电集团党委书记、董事长吴放说,项目投运后,海阳核电1号机组取代了当地12台燃煤锅炉,每个供暖季可减排二氧化碳18万吨,同时减少向环境排放热量130万吉焦,有效改善区域供暖季大气环境和海洋生态。

大范围核能供热是积跬步至千里。据介绍,2019年,海阳开启首个核能供热商用工程“暖核一号”70万平方米供热项目。2020年,该项目供热面积扩展到100万平方米。

吴放介绍,在此基础上,山东核电集团将继续推进单台核电机组3000万平方米大规模供热科研工程,供热范围可覆盖方圆130公里区域。项目投运后,电厂热效率将提升至55.9%,是原来的1.5倍。若海阳核电两台机组同时开展3000万平方米供热,能源贡献相当于再造一个百万千瓦级核电机组。

省钱又环保 打造清洁取暖的“海阳方案”

李常科体会深刻:之前每到供暖季,换热站的热水锅炉需要消耗大量煤炭,运煤车辆来往不绝,15层楼高的脱硫烟囱也不停吐出烟尘。虽然废弃物的排放都满足环保要求,但即便如此,长期排放也会对环境造成压力。

记者在核电站看到,紧邻核岛的毗屋里安装了几台换热器,温度表上的温度指向100摄氏度,高效运转的换热设备将高温蒸汽转换为热水,沿着管道送到海阳市各级换热站。李常科说,供热公司要求入户热水能够达到90摄氏度,高质量的管道建设保证这些热水送到居民家中温降不过1-2度。

2019年,海阳核电站1、2号机组投入商运,产出了源源不断的清洁电能。有了“清洁电”能否产出“清洁热”?对此,当地政府与核电站敏锐把握这一契机,在核能综合利用上大胆探索、先行先试,共同启动推进核能供热项目,开创了国内核能商业供热之先河。

核能供热作为全国首创项目,没有现成的经验可以参考。为此,山东核电组织中国核能行业协会、清华大学、电力规划设计总院等专家队伍攻关,对海阳核电一期工程远距离大规模核能对外供热工程科研报告进行评审,经过质询、讨论,技术方案获得专家一致认可。

2021年11月9日,随着指针缓缓指向0点,海阳城区全域核能供热正式启动,暖流输送到城区的家家户户,海阳也正式成为全国首个“零碳”供暖城市,告别燃煤取暖的历史。

记者在走访中了解到,当地推行核能供暖后,取暖费不升反降。李常科给记者算了一笔账,传统方式供暖时,烧锅炉配备脱硫设备,每天电能消耗就要五六千度,而现在全厂电能消耗仅为六百度左右,加上节省的人工、运维等费用,企业节省了一大笔开销,同时,今年海阳市取暖费用每平方米减少一元钱,从原有的每平方米22元降到21元。

“下调取暖费,可谓‘核能供暖更暖人心’。”海阳市委副书记、市长刘海彬说。

开启核能综合利用新时代

在中国的多个核电站,厂区内使用核能供热已有先例,但以商用形式对外面向居民供应热量,这是首例。从核能发电到核能综合利用,我国又迈出了坚实的一步。

国际原子能机构副总干事刘华说,海阳核电厂核能供热项目的成功实践,进一步证明了核电站供热的安全性和经济性,并将为当地低碳经济做出更大贡献。核能综合利用,可以取得经济、社会、安全多赢。

核能综合利用已在海阳当地“萌芽”。供热推进同期,国际领先的水热同传实践工程在海阳核电站顺利完工投用,打破了供水、供热需要三根管道的传统模式,大幅度降低了供水、供热的工程投资及运营成本,重新定义了能源供给模式。

记者在采访中了解到,当地在核能综合利用上做了不少探索。围绕核电项目建设,海阳确定了培育壮大核电建设、运营、服务一体化产业链条,将核电装备制造和核能综合利用等作为战略性新兴产业重点培育,发展核能供热、海水淡化、制氢、储能等产业项目。

“海阳兼具新能源综合利用的产业优势、自然优势和人文优势,我们将大力发展清洁能源新业态,重塑海阳经济新格局,为‘碳达峰、碳中和’贡献力量。”刘宏涛说。

通过供暖,老百姓对核电及核能的认识程度不断提高。这将为中国核工业继续向前发展奠定民意基础,也为世界范围内和平和安全利用核能提供“中国示范”。
来源:新华每日电讯


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