揭秘質體（plastid）遺傳：環境與基因共舞的奧秘

 

質體家族。圖片來源：維基百科

聽過質體（plastid，也稱為色素體）嗎？質體是植物裡面的「半自律胞器」（semi-autonomous organelle）」的一種，其中最有名的就是葉綠體（chloroplast）了。但是，除了葉綠體，還有有色體（chromoplast）與白色體（leukoplast）這些可以互相轉換的胞器。

質體有自己的基因，會自行複製，所以被稱為「半自律胞器」。另一個「半自律胞器」是動植物皆有的粒線體（mitochondria）。

粒線體是母系遺傳，我想這個應該不需要再多說了；但是葉綠體（質體）呢？

葉綠體通常是母系遺傳的，因為在大多數植物中，精細胞（來自父親）在受精過程中只提供DNA（精核），而不提供胞器如質體或粒線體。另一方面，卵細胞（來自母親）提供了完整的細胞質，包括胞器。因此，質體和它們的DNA大多來自母親，導致了母系遺傳的現象。

不知道大家有沒有注意到，上面用了「通常」兩個字。意思就是有例外。什麼樣的狀況下例外呢？

目前所知有兩個狀況。第一個狀況是，攝氏十度的低溫。

研究發現，攝氏10度的處理，會有0.16%的胚胎中出現父系的質體。但是為什麼低溫就會讓部分的胚胎有來自父系的質體，目前並不清楚。

第二個狀況是，缺少dpd1。

dpd1是defective in pollen organelle DNA degradation1的簡稱，因為當初觀察到，被子植物的花粉成熟過程中，胞器的DNA會被分解；於是就有研究團隊想看看這個過程與什麼基因有關。他們從突變株中尋找花粉的胞器DNA不會減少的突變株，並將這些突變株命名為「dpd」。

dpd1就這樣被分離出來，它是一個外切核酸酶（exonuclease），負責分解質體的DNA。花粉成熟時，胞器會被排除，而dpd1是負責把剩下的胞器DNA給分解掉。可能是因為這樣，所以研究團隊發現缺少dpd1的突變株，質體出現父系遺傳的機率增加為0.16%-0.25%。

如果把dpd1突變株拿去用攝氏10度的低溫處理呢？研究團隊的確也是這麼做了，結果質體出現父系遺傳的機率增加了大約10倍，介於2.18%-3.16%之間。

為什麼會發生這樣的事呢？論文中並未提出可能的機制，但是這兩件事合併居然有這樣的效果，顯示了低溫走的途徑應該與dpd1不同，所以兩者合併之後產生了相乘效果。

參考文獻：

Matsushima R, Tang LY, Zhang L, Yamada H, Twell D, Sakamoto W. A conserved, Mg²+-dependent exonuclease degrades organelle DNA during Arabidopsis pollen development. Plant Cell. 2011 Apr;23(4):1608-24. doi: 10.1105/tpc.111.084012. Epub 2011 Apr 26. PMID: 21521697; PMCID: PMC3101548.

Chung KP, Gonzalez-Duran E, Ruf S, Endries P, Bock R. Control of plastid inheritance by environmental and genetic factors. Nat Plants. 2023 Jan;9(1):68-80. doi: 10.1038/s41477-022-01323-7. Epub 2023 Jan 16. PMID: 36646831; PMCID: PMC9873568.