光合作用是地球上最重要的化学反应，光合作用中能量的吸收、传递和转化是由光系统I（Photosystem I，PSI）和光系统II（Photosystem II, PSII）两个光系统推动的。研究光系统的结构和不同植物之间的区别，不仅能够阐明光合作用机理，而且对于认识植物进化具有重要意义。

  苔藓植物是现存最早的陆生植物，代表了植物演化过程中从水生到陆生的过渡类群。小立碗藓（Physcomitrella patens）是苔藓植物门藓纲的模式植物，重点实验室光合膜蛋白结构生物学研究组与清华大学和济南大学合作，采用单颗粒冷冻电镜技术解析了小立碗藓的光系统I-捕光复合物I（PSI-LHCI）超分子复合物3.23埃分辨率的三维结构。该结构显示，小立碗藓的PSI-LHCI由4个捕光天线蛋白（Lhca）组成，与高等植物豌豆PSI-LHCI超分子复合物中捕光天线蛋白的数量一致，但是种类和组成顺序不同，随着植物进化，豌豆中的Lhca4取代了小立碗藓中Lhca5的位置。但在小立碗藓捕光天线Lhca5/Lhca2与核心亚基PsaF的交界处，存在一个的特殊的叶绿素分子，构成了能量从Lhca5/Lhca2向核心高效传递的路径。

  与生活在水中的绿藻相比，小立碗藓PSI-LHCI结合的捕光蛋白少，减少了捕光截面，但和豌豆相比，具有更高效的能量传递途径，研究人员推测这可能与藓类植物登陆之后多生长在潮湿低光的环境有关，减少捕光截面有助于避免光破坏，快速捕光有利于生存。这项研究揭示了植物由水生向陆生进化过程，以及植物登陆以后进一步适应陆生环境的捕光机制变化。

  该研究于2021年2月16日在线发表于国际学术期刊Cell Discovery。中科院植物所博士研究生闫秋敬、清华大学博士研究生赵亮为论文共同第一作者。研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导项目、中国科学院前沿科学重点研究计划和青促会、山东省自然科学基金等项目资助，并得到中国科学院植物研究所公共技术服务中心和清华大学冷冻电镜中心的技术支持。