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优化NPQ的动态调控是提高植物光合效率的分子基础

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生命科学 2024年

作者：阮美霞朱新广翁羽翔中国科学院物理研究所中国科学院分子植物科学卓越创新中心

随着全球人口的不断增加，对粮食和生物质能源的需求越来越高，增加单位土地的生物量和粮食产量成为解决粮食和能源问题的必然途径。非光化学淬灭(Non-photochemical quenching， NPQ)是植物应对高辐照强度的一种光保护状态。NPQ状态和... 详细信息

随着全球人口的不断增加，对粮食和生物质能源的需求越来越高，增加单位土地的生物量和粮食产量成为解决粮食和能源问题的必然途径。非光化学淬灭(Non-photochemical quenching， NPQ)是植物应对高辐照强度的一种光保护状态。NPQ状态和捕光状态之间的切换与光辐照强度涨落的动态匹配是提高光合效率的一种新途径，因此NPQ发生的分子机制的研究对于设计转基因植物调控NPQ过程提高农作物产量具有重要指导意义。研究表明，NPQ主要发生在主捕光天线LHCII (Light-harvesting complex II) 上，其切换速率主要受蛋白质PsbS (Photosystem II Subunit S)以及叶黄素循环的调控。本文将讨论温度、酸度诱导下捕光天线蛋白在高效捕光和NPQ状态间可逆切换的蛋白质构象调节机制，为提高光合效率和农业产出提供理论基础和新思路。

关键词：非光化学淬灭捕光天线蛋白叶黄素循环蛋白质变构调节机制

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单颗粒光催化电荷转移过程的全时空示踪

Science Bulletin 2022年第23期67卷 2384-2386页

作者：翁羽翔 Laboratory of Soft Matter Physics Institute of PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100190China

Photocatalysts can utilize sunlight to produce hydrogen from water splitting and solar fuels through CO_(2) reduction. However,the fundamental process of how photogenerated carriers are excited in bulk and transported to the surface, undergo charge separation, and become trapped at the surface in photocatalysis processes has remained elusive.

关键词：电荷转移过程光催化单颗粒

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“喝热茶明目”——经验之谈背后的科学机制

物理 2022年第10期51卷 723-731页

作者：翁羽翔中国科学院物理研究所北京100190

在《人间词话》一书中,王国维先生用诗词来形象地概括做学问的三重不同境界。如果把它们用在科研上,第一重便是选题,做到眼界要高:“昨夜西风凋碧树,独上高楼,望尽天涯路”;第二重当是主观努力,无怨无悔:“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔... 详细信息

在《人间词话》一书中,王国维先生用诗词来形象地概括做学问的三重不同境界。如果把它们用在科研上,第一重便是选题,做到眼界要高:“昨夜西风凋碧树,独上高楼,望尽天涯路”;第二重当是主观努力,无怨无悔:“衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴”;第三重才是收获,功夫做足后,成果看似得之偶然,其实是取之必然:“众里寻他千百度。蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处”。这三重境界之说不知令多少前赴后继的学子折服,尤其是那些经历过“登高楼,蓦然回首,人憔悴,终不悔!”、拥有壮阔而惆帐人生阅历的人。

关键词：《人间词话》人生阅历主观努力昨夜西风王国维先生三重境界登高科学机制

利用飞秒宽带荧光光谱仪揭示光合细菌反应中心原初过程

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Chinese Journal of Chemical Physics 2023年第6期36卷 655-663,I0055页

作者：刘鹤元甄张赫彭凌峰陈海龙翁羽翔中国科学院物理研究所软物质物理实验室北京100190 中国科学院大学物理学院北京100049 松山湖材料实验室东莞523808

本文为深入了解光合细菌反应中心内的高效能量转换机制,采用飞秒宽带荧光光谱技术,研究了室温下光合细菌反应中心中光诱导能量转移和电荷分离的动力学过程.得益于此技术的宽带光谱测量能力,直接确认了与细菌叶绿素B和P相关的两种不同的... 详细信息

本文为深入了解光合细菌反应中心内的高效能量转换机制,采用飞秒宽带荧光光谱技术,研究了室温下光合细菌反应中心中光诱导能量转移和电荷分离的动力学过程.得益于此技术的宽带光谱测量能力,直接确认了与细菌叶绿素B和P相关的两种不同的瞬态荧光组分,其Stokes位移分别确定为约197和450cm^(-1).通过对荧光发射动力学的拟合,揭示了从细菌脱镁叶绿素H到细菌叶绿素B(98 fs)和从细菌叶绿素B到细菌叶绿素P(170 fs)的超快能量转移过程.值得注意的是,预期亚200 fs的细菌叶绿素B荧光寿命被显著延长至约400 fs,表明B的电子激发态与P的电子振动态之间可能存在一-定的耦合,并对能量转移过程有潜在的促进作用.上述发现将有助于人们进一步理解电子振动耦合动力学对光合反应中心内光诱导原初过程的影响机制.

关键词：细菌反应中心飞秒宽带荧光光谱仪能量转移电荷分离瞬态荧光

凝聚相中电子相干态的二维电子光谱测量（英文）

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Chinese Journal of Chemical Physics 2018年第2期31卷 135-151,245页

作者：翁羽翔中国科学院物理研究所软物质物理院重点实验室

可见光波段的博里叶变换二维电子光谱可用于对凝聚相分子复杂动力学过程的直接测量，包括量子相干现象．本文在对二维电子光谱原理的理解和对其物理本质更为直觉描述间做了一些铺垫，起到普及二维电子光谱的作用．重点阐述了二维电子光... 详细信息

可见光波段的博里叶变换二维电子光谱可用于对凝聚相分子复杂动力学过程的直接测量，包括量子相干现象．本文在对二维电子光谱原理的理解和对其物理本质更为直觉描述间做了一些铺垫，起到普及二维电子光谱的作用．重点阐述了二维电子光谱在测量电子相干态过程中是如何克服来自于量子力学原理的两大限制，即不确定性原理和测量导致的波包坍缩，并最终实现以本征态能级差为量子拍频的相干态测量．重点讨论了纯电子态相干、电子态与单模振动态耦台的相干，以及电子态与多模振动耦台形成的相干态断导致的复杂的量子相干现象．最后简要讨论了区分电子态相干及电子态-振动态耦台相干态的最新实验进展．

关键词：二维电子光谱电子相干态不确定性原理波包坍缩

高等植物捕光天线蛋白质LHCII动态结构变化可逆调控非光化学淬灭的分子机制

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高等植物捕光天线蛋白质LHCII动态结构变化可逆调控非光化学淬灭...

首届植物科学前沿学术大会

作者：翁羽翔中国科学院物理研究所软物质物理院重点实验室

在自然环境中,太阳光的辐照强度可以在短时间内呈现出十几倍的涨落。当云的阴影遮蔽住受强光辐照的叶片后,叶片还会将光保护状态持续数分钟之久,然后才切换到捕光状态。我们蛋白质动态结构实验结合全原子分子动力学模拟研究揭示了高等... 详细信息

在自然环境中,太阳光的辐照强度可以在短时间内呈现出十几倍的涨落。当云的阴影遮蔽住受强光辐照的叶片后,叶片还会将光保护状态持续数分钟之久,然后才切换到捕光状态。我们蛋白质动态结构实验结合全原子分子动力学模拟研究揭示了高等植物光系统Ⅱ主要捕光天线蛋白色素复合物(Light Harvesting ComplexⅡ,LHCII)三聚体,作为蛋白质分子机器,是如何实现高效捕光和光保护功能间可逆切换的机理。该研究表明,强光照射下的局部升温和光解水导致的光合膜囊腔侧酸度的增加所产生的驱动力,在微秒时间尺度内诱导LHCII蛋白质变构运动,导致捕光色素对叶黄素-叶绿素间的距离减小,发生叶绿素激发态被叶黄素分子淬灭的能量转移过程,由此将多余的激发态能量有效地转换成热能而耗散掉,从而实现了由高效捕光到激发态能量耗散状态间的快速切换。这一分子机器的作用机理密切关联了光合系统外部环境条件(环境温度,水的蒸腾作用,光合膜的硬度)、内部分子层次动态结构变化、以及植物表观现象的因果关系,解决了光合体系如何可逆地实现由低光照条件下的高效捕光/传能功能切换到高光照条件下的光保护功能这一个核心科学问题。由此启发一系列可能提高光合效率的新途径。

关键词： LHCII 蛋白质动态结构非光化学淬灭光保护可逆调控

来源： cnki会议评论

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光合捕光天线系统的进化模式与能量传递

植物生理学报 2016年第11期52卷 1681-1691页

作者：冷轩王专翁羽翔中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室软物质物理重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

本文试图从几种典型光合系统捕光天线的构造及传能效率的异同中揭示捕光天线在进化过程中遵循的物理法则。以绿硫菌(Chlorobium tepidum)、紫细菌(Rhodobacter sphaeroides)和高等植物的捕光天线为例,力图从低等光合系统的由单纯提高色... 详细信息

本文试图从几种典型光合系统捕光天线的构造及传能效率的异同中揭示捕光天线在进化过程中遵循的物理法则。以绿硫菌(Chlorobium tepidum)、紫细菌(Rhodobacter sphaeroides)和高等植物的捕光天线为例,力图从低等光合系统的由单纯提高色素捕光效率的单向调节进化到高等植物的捕光效率与光保护的双向调节,揭示捕光天线为适应环境所采用的演化策略。在详细描述传统的光合捕光系统的F?rster传能模型和最近提出的相干传能模型的基础上,阐明捕光天线的功能及传能效率,进而说明光合传能过程中蛋白质参与调节的重要性。

关键词：捕光天线进化 Forster传能相干传能相干域二维电子光谱

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一篇论文背后的故事

物理 2020年第10期49卷 701-710页

作者：翁羽翔中国科学院物理研究所软物质物理实验室北京100190

每一个科学难题的背后都有一盏点亮的明灯,只不过是这盏明灯被幽闭在不透光的密室里,使得外头的人无从知晓。探索者的努力无非是在厚薄不等的墙上砸开一条裂缝,直到看见里面透出的一线光明。1引言2020年6月23日,《中国科学:化学》在线... 详细信息

每一个科学难题的背后都有一盏点亮的明灯,只不过是这盏明灯被幽闭在不透光的密室里,使得外头的人无从知晓。探索者的努力无非是在厚薄不等的墙上砸开一条裂缝,直到看见里面透出的一线光明。1引言2020年6月23日,《中国科学:化学》在线发表了题为"Dynamical and Allosteric Regulation of Photoprotection in Light Harvesting Complex Ⅱ(高等植物光系统II捕光天线蛋白实现光保护功能的动态及变构调控)"一文[1],一项马拉松式的研究工作终于暂告一段落。

关键词：马拉松式科学难题光系统II 探索者

人工模拟捕光天线分子中超快能量转移的瞬态荧光测量

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Chinese Journal of Chemical Physics 2011年第3期24卷 253-255,I0003页

作者：陈海龙翁羽翔李希友中国科学院物理研究所北京100190 山东大学化学与化工学院济南250100

利用飞秒时间分辨瞬态荧光光谱仪测量苝四甲酰二亚胺三聚体内的超快荧光淬灭过程．观察到因能量转移而导致的单体荧光的快速衰减，这一过程的时间常数约为0-82ps．

关键词：非共线光参量放人瞬态荧光苝四甲酰三亚胺三聚体人工模拟捕光天线分子能量转移