光系统II外周天线与光反应中心间低能激发态，能级耦联及能量传递的研究及其仿生模拟意义

The light reaction in photosynthesis is a highly efficient process for absorbing, transferring and converting solar energy in thylakoid membrane. Composed of reaction center (PSIIRC) and its light harvesting pigment protein complexes (LHCII), PSII is the most important pigment-protein complexes executing the light reaction. ). LHCII is a multifunctional pigment-protein complex, which is not only important for absorbing solar energy and transferring the excitation to the PSIIRC, but also of ultimate importance for energy dissipation and sustaining thylakoid membrane structure. The function of PSIIRC is to convert the absorbed solar energy to chemical energy, which provides the most important materials and energy for mankind. Because of its high efficiency in absorbing and converting solar energy, natural photosynthesis provides a paradigm for many artificial devices including photovoltaics, photocatalysis and signal detection. Research to explore the molecular mechanisms of the highly efficient solar energy conversion in natural photosynthesis is of great significance in artificial photosynthesis. The aim of the present project is to explore the mechanism regulating energy distribution and transfer in PSII, the relationship between the pigment conformation and the energy coupling of the photosynthetic membrane protein in the proteoliposome system co-inserted with PSIIRC and different antenna system.

光合作用光反应是指在类囊体膜上进行的高效吸能、传能和转能过程。由光反应中心（PSIIRC）和捕光天线（LHCII）组成的光系统II（PSII）是行使这一功能最重要的部位。LHCII是个多功能色素蛋白复合体，行使捕获和传递激发能，和在不同光强条件下，调节能量传递效率，并维持类囊体膜的结构的功能。PSII的高效吸能、传能和转能的特点，提供了当前仿生模拟器件（包括光电转换、光催化反应、以及信号探测等）研究领域的重要范本。所以探索自然光合作用高效吸能、传能和转能的分子机理以及仿生模拟研究，已经是人类发展新能源和新资源的重要途径，也是物理学、化学和生物学学科交叉研究的焦点。本项目拟在脂质体膜环境中构建不同天线与PSIIRC的共重组体系，观察PSIIRC与不同天线复合体的色素构象，能级分布、能级偶联，以及能量传递，解析PSII中的不同能量形式及能量传递的分子调控机理及其光合作用仿生模拟的意义。

本项目在脂质体膜环境中构建了不同天线与PSIIRC的共重组体系，观察PSIIRC与不同天线复合体的色素构象，能级分布、能级偶联，以及能量分布，解析了PSII中的不同能量形式及能量传递的分子调控机理。并利用短命植物极端耐受高温高光条件的特点，系统地研究了短命植物天线系统应对环境因素的变化中进化而来的调控机制。这一研究揭示了光合作用捕光天线结构与功能的关系，探索了光合作用仿生模拟的意义，提出了光合作用仿生模拟的新思路、新技术和理论基础。..本研究的成果可以总结为以下几点：.1、.光合作用内周天线是调控光系统II激发能分布的关键单元，内周天线在PSII核心具有最低的能级，形成一个最低的能量池。这一能量池拥有调节和维持PSII核心在不同环境条件下能量传递的方向的功能。一方面保证了向PSII核心的能量传递，同时又阻止过多能量传递到PSII反应中心。这项研究的意义在于揭示了PSII核心的光保护机制，是长期停滞的PSII光保护功能研究方面的一个突破；.2、.光合作用外周天线（LHCII）可逆磷酸化是调节不同光系统间能量分配的机制。LHCII的N段结构是控制LHCII磷酸化的关键结构域。同时我们还发现，由不同的捕光天线的磷酸化产生了不同的调节功能，共同控制类囊体膜上的能量分布和传递。这一研究，揭示了光合作用不同捕光天线在光合作用能量传递中的作用，阐明了捕光天线进化的意义；.3、.光合作用电子传递链不仅仅受到光强的影响，我们的研究发现，外界入射光的光质也是调节电子传递链途径的关键因素。比如加大红光成分有利于增加环式电子传递链的运行，进而调节ATP/NADPH2的比值调节光质可以达到最佳的Calvin循环的运行效率，增加生物量。这些研究，解析了光反应/暗反应最佳耦联的关键问题。为进一步阐明增加生物量的手段提供了思路；.4、.光合作用低能激发态调节了光合作用的电荷分离过程，我们遵循这一原理进行生物太阳能电池的设计，通过化学分子耦联降低LHCII或者FCP的能级，增加了TiO2电池的光电转换效应。通过生物太阳能固能器件的研究，提出了未来设计新型智能型固定太阳能新材料，新型器件的方向。