《Photosynthesis Research》：The role of far-red fluorescing chlorophylls in the quenching of LHCII
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本研究针对光合作用中光系统II主要捕光天线蛋白LHCII在强光下如何通过非光化学淬灭（NPQ）进行自我保护这一关键科学问题，通过对比分离的LHCII三聚体（F680）与在富甘油介质中制备的LHCII聚集体（F730），深入探讨了远红光荧光叶绿素（发射>700 nm）在淬灭过程中的作用。研究人员综合运用时间分辨荧光光谱和超快瞬态吸收光谱（包括强度循环方案以分离无湮灭动力学）发现，远红光发射态并非直接的淬灭体，而是淬灭态LHCII构象的标志物。该研究强调了明确聚集体尺寸和内部组织对于阐明淬灭分子机制的必要性，对理解光合生物的光保护策略具有重要意义。
在阳光普照的地球上，绿色植物、藻类和部分细菌通过光合作用将光能转化为化学能，驱动着生命的运转。这一过程的核心是被称为光系统II（PSII）的精密“工厂”，而负责为其“捕获”光能的，则是主要捕光天线蛋白LHCII。然而，自然界的光强瞬息万变，当光照过强时，吸收的多余能量若不能及时耗散，便会像工厂过载一样对光合机构造成损伤。因此，LHCII扮演着双重角色：它既是高效的能量捕获者，也是关键的光保护者，能够通过一种称为非光化学淬灭（NPQ）的机制，将过剩的激发能转化为无害的热量，从而保护光合系统。尽管科学家们很早就知道LHCII能够从“非淬灭”态切换到“淬灭”态，但这一转换背后的精确分子机制，特别是淬灭体的本质，数十年来一直是光合作用研究领域争论的焦点。其中一个引人注目的现象是，在淬灭态的LHCII聚集体中，在低温（如77 K）下会观测到强烈的远红光荧光（发射波长>700 nm）。这些发出远红光的叶绿素态是淬灭过程的直接执行者，还是仅仅是淬灭发生的一个“信号灯”？这个问题对于从根本上理解植物的光保护策略至关重要。为了回答这个问题，研究人员在《Photosynthesis Research》上发表了他们的研究成果。他们设计了一项精巧的研究，通过比较处于天然三聚体状态的LHCII（标记为F680，其荧光峰在680 nm附近）和经过诱导形成聚集态的LHCII（标记为F730，因其在77 K下在730 nm处出现显著荧光峰），系统探究了远红光荧光叶绿素在能量淬灭中的作用。
为开展研究，作者主要运用了时间分辨荧光光谱和超快瞬态吸收光谱这两种关键技术。前者能够精确测量叶绿素激发态寿命的变化，是判断是否发生淬灭的直接证据；后者则能以极高的时间分辨率（飞秒至纳秒量级）追踪能量在色素间的传递和耗散路径。特别值得一提的是，研究中采用了强度循环方法，这是一种先进的实验方案，能够从通常包含多粒子相互作用（如激子-激子湮灭）信号的复杂数据中，有效分离出纯净的单粒子动力学信息，从而更真实地反映淬灭过程。所有实验均在室温（293 K）和低温（77 K）下进行，并对来自菠菜的LHCII样品进行了分析。
稳态光谱特征
研究首先通过稳态光谱确认了样品的性质。吸收光谱显示，F680和F730样品具有相同的色素组成，均包含叶绿素a（Chl-a）、叶绿素b（Chl-b）和类胡萝卜素（如叶黄素、紫黄素、新黄素）。然而，它们的荧光光谱，尤其是在77 K下，表现出显著差异。F730样品在700 nm和730 nm处出现了明显的远红光发射峰，而正常的680 nm附近荧光则被强烈抑制，这标志着LHCII成功转变为淬灭态。
时间分辨荧光动力学
时间分辨荧光数据清晰地展示了淬灭的效果。F680样品的Chl-a激发态寿命较长，在室温下约为4纳秒（ns），在77 K下延长至6.3 ns。与之形成鲜明对比的是，F730样品的Chl-a寿命在两种温度下均大幅缩短至数百皮秒（ps）甚至更短，表明其存在高效的淬灭通道。通过分析不同寿命组分对应的光谱（即衰减关联光谱，DAS），研究发现，在77 K下，F730的荧光衰减包含多个组分，且寿命较长的组分其发射光谱明显红移，这表明远红光发射态是在能量淬灭过程中逐渐形成的。
超快瞬态吸收光谱与强度循环分析
超快瞬态吸收光谱提供了更深入的动力学细节。通过比较F680和F730在激发后不同时间的瞬态吸收谱，研究人员发现，尽管两者在激发后1 ps时的光谱形态相似，但F730中Chl-a激发态的衰减速度远快于F680。更重要的是，通过应用强度循环方法分离出的纯净三阶非线性信号（PP(3)）表明，F730中Chl-a的短寿命（约108 ps）是其本征的淬灭动力学，而非由高激发密度下常见的激子-激子湮灭效应所导致。分析还给出了F680和F730的湮灭时间常数，分别为81 ps和22 ps，表明聚集体中激子-激子相互作用更强。此外，在F730样品延迟100 ps的瞬态吸收谱中，观察到Chl-a吸收漂白带在长波方向（>700 nm）出现了一个明显的“红肩”，这与荧光光谱中观测到的远红光发射相对应，被认为是源于具有低跃迁偶极矩的发射态。
类胡萝卜素的作用与淬灭体性质的探讨
研究还探查了类胡萝卜素在淬灭中可能扮演的角色。通过选择性地激发类胡萝卜素，发现在F730样品中，类胡萝卜素的S1-Sn激发态吸收带相对于F680发生了红移，暗示聚集过程改变了类胡萝卜素的微环境或其自身的电子结构。然而，在Chl-a被激发的瞬态吸收实验中，并未探测到任何可归因于类胡萝卜素激发态（无论是S1态还是假设的S*态）的长寿命信号，这意味着类胡萝卜素可能并非直接的淬灭体，或者其作为淬灭体时的种群数量极低难以检测。
研究结论与意义
综合所有实验结果，本研究得出核心结论：在LHCII聚集体中观察到的远红光荧光叶绿素态（发射>700 nm），其本身并非直接的能量淬灭体。这些态在小于100 ps的时间内被布居，拥有较低的跃迁偶极矩，并且其激发态寿命相对较长（可达纳秒量级），并不表现出快速耗散能量的特性。因此，它们更可能是LHCII蛋白在转变为淬灭构象后所产生的一种光谱标记物。真正的淬灭机制可能涉及其他未被直接观测到的、更快速的能量耗散途径。研究还指出，淬灭效率与远红光发射态的种群数量之间并无直接关联，因为在室温下F730样品依然存在强烈的淬灭，但其远红光荧光却非常微弱。
该研究的重要意义在于，它通过结合多种先进光谱技术，特别是利用强度循环方法有效排除了湮灭过程的干扰，为理解LHCII的非光化学淬灭机制提供了更清晰、更可靠的动力学证据。它明确了远红光发射态作为淬灭构象“指示器”而非“执行者”的角色，将研究焦点引向对淬灭态LHCII精确结构和能量耗散途径的更深层次探索。这项工作强调了在未来的研究中，精确控制LHCII聚集体的尺寸和内部有序度，对于最终揭示淬灭的分子机制至关重要。这一认识对于理解自然界的光合生物如何精巧地平衡光能捕获与光损伤防护，乃至对于人工模拟光合作用、提高作物光能利用效率都具有重要的指导价值。
