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上海光源兩項用戶成果入選2019年度“中國科學十大進展”
文章來源:    發布時間:2020-03-02

科學技術部高技術研究發展中心227日發布“2019年度中國科學十大進展”。上海光源兩項用戶成果——“破解藻類水下光合作用的蛋白結構和功能”和“闡明铕離子對提升鈣钛礦太陽能電池壽命的機理”入選,其中“破解藻類水下光合作用的蛋白結構和功能”成果于同時入選“中國十大科技進展新聞”和“中國生命科學十大進展”。 

中科院植物所研究團隊解析了矽藻的主要捕光天線蛋白高分辨率結構,利用上海光源BL17U1線站晶體學衍射方法首次解析了矽藻的主要捕光天線蛋白(FCP)1.8埃的高分辨率結構。這是矽藻的首個光合膜蛋白結構解析研究,是該研究領域期待已久的結構解析工作,爲研究矽藻的光能捕獲、利用和光保護機制提供了重要的結構基礎,基于該研究,科學家未來有望設計出可以高效“捕光”的新型作物。 

光合作用是地球上規模最大、最重要的化學反應。光合生物利用太陽能合成有機物,釋放出氧氣,爲人類繁衍和社會發展提供基本的物質基礎和能量來源。其中矽藻(Diatoms)貢獻了地球上每年約20%的原初生産力——即其吸收二氧化碳的能力占全球生態系統的五分之一左右,比熱帶雨林的貢獻還要高,因此在地球的元素(碳、氮、氧、矽等)循環和氣候變化中發揮重要作用。矽藻捕光天線蛋白“岩藻黃素-葉綠素a/c蛋白複合體”(Fucoxanthin chlorophyll a/c proteinFCP)具有出色的藍綠光捕獲能力和極強的光保護能力,是矽藻細胞快速生長和繁殖的能量基礎。然而矽藻光合膜蛋白的結構長期沒有得到解析,極大限制了矽藻光合作用的研究。 

研究人員解析了海洋矽藻——三角褐指藻FCP的高分辨率晶体结构,首次描绘了葉綠素c和岩藻黄素在光合膜蛋白中的结合细节,阐明了葉綠素和岩藻黄素在FCP复合体中的空间排布,揭示了葉綠素c和岩藻黃素捕獲藍綠光並高效傳遞能量的結構基礎;首次揭示了FCP二聚體的結合方式,對幾十年來矽藻主要捕光天線蛋白聚合狀態研究提供了第一個明確的實驗證據。這一研究工作爲揭示光合作用光反應拓展捕光截面和高效捕獲傳遞光能機理,以及矽藻超強的光保護機制提供了堅實的結構基礎;爲實現光合作用寬幅捕獲和快速傳遞光能的理論計算提供了可能,爲人工模擬光合作用機理提供了新理論依據,也爲指導設計新型作物、提高植物的捕光和光保護效率提供了新思路和新策略。 

利用上海光源BL17U1線站解析的矽藻主要捕光天線蛋白(FCP)1.8埃的高分辨率結構 

成果鏈接:Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatomsScience DOI: 10.1126/science.aav0365 

鈣钛礦太陽能電池是廣受關注的新一代光伏技術,而其工作穩定性是目前産業化的主要障礙。由于鹵化鉛鈣钛礦的“軟”的性質,使它在制備和處于工作階段時,極易産生本征缺陷零價鉛(Pb0)和碘(I0),這一問題嚴重制約著器件長期穩定性。爲提高本征穩定性,北京大學周歡萍研究組、嚴純華/孫聆東研究組及其合作者提出,通過在鈣钛礦活性層中引入铕離子對作爲“氧化還原梭”,可同時消除相關缺陷,進而大幅提升器件使用壽命。研究團隊利用上海光源BL14B線站的掠入射廣角X射線散射證實,Eu3+-Eu2+離子對在鈣钛礦多晶膜內部的氧化還原穿梭不僅可以有效減少多晶膜的本征缺陷,而且也未引起明顯的晶面擇優取向的變化,很好的保持了薄膜原始的高度有序結晶度。 

 

同步輻射GIWAXS表征鈣钛礦薄膜結晶性和晶面擇優取向 

Eu3+/Eu2+離子對促進溶液和鈣钛礦膜中Pb0I0Pb2+I-的轉化示意圖 

成果鏈接: A Eu3+-Eu2+ ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells 

Science DOI: 10.1126/science.aau5701