葉綠體（chloroplast）如何隨光線強弱移動？

 

圖片來源：維基百科

植物需要捕捉光能才能進行光合作用，而捕捉光能的胞器就是葉綠體（chloroplast）。

但是，照在植物身上的光，不見得都是強弱適中的；有時候太弱、有時又會太強。太弱的時候，植物需要盡可能地多吸收光線；而太強的時候，植物又必須要避免曬傷。

這一切都要靠葉綠體來根據太陽光的強弱移動到最理想的位置，以確保植物能夠最有效地利用光能。有點像是，當太陽光太強時，葉綠體會「躲」到陰涼的地方避免「曬傷」；而在光線較弱時，它們則會移動到適合作「日光浴」的地點來捕捉陽光。

最近，植物科學家發現在阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）中的一種蛋白質CHUP1對於葉綠體隨光線強弱移動的能力很重要[1]。

CHUP1是在2002年發現的[2]。缺少這個蛋白，會導致葉綠體不論光線強弱，都「沈」在細胞距離光線最遠的一端。因此，它被命名為CHUP1（Chloroplast Unusual Positioning 1），意為「葉綠體不尋常定位」。因為少了CHUP1的植物的葉綠體不會「躲」強光，造成突變株植物非常容易被強光灼傷。

最近的研究發現，CHUP1之所以能夠幫助葉綠體在細胞內移動到最適合的位置，是透過與連接在葉綠體外膜上的cp-actin絲（chloroplast actin filaments）進行相互作用，使cp-actin絲重組來推動的。整個過程需要藍光。當藍光照射到植物上時，CHUP1就會被活化，並協助調整葉綠體的位置，這就像是給葉綠體一個信號，告訴它們現在應該移動到哪裡去以最好地進行光合作用或避免過度曝曬。

更有趣的是，這個過程需要向光素（phototropin）的幫助，向光素能夠感知光的存在並啟動CHUP1的工作。如果向光素失去功能，或者CHUP1本身出現問題，植物就會失去隨光線強度調整葉綠體位置的能力，這會導致它們在光合作用效率上出現問題，也會變得很容易被曬傷。

葉綠體是會移動的，這個現象在18世紀末/19世紀初就被觀察到了；也因此發現了「細胞質流」（cytoplasmic streaming）這個現象[3]。但究竟葉綠體如何移動，詳細的機制並不清楚。透過對CHUP1的研究，讓我們對植物如何透過調節葉綠體的位置，來達成有效吸收光能的目的有了更進一步的瞭解，也讓我們對於向光素調節葉綠體位置的機制有了更深一層的認識。

參考文獻：

[1] Sam-Geun Kong, Yosuke Yamazaki, Atsushi Shimada, Saku T Kijima, Keiko Hirose, Kaoru Katoh, Jeongsu Ahn, Hyun-Geun Song, Jae-Woo Han, Takeshi Higa, Akira Takano, Yuki Nakamura, Noriyuki Suetsugu, Daisuke Kohda, Taro Q P Uyeda, Masamitsu Wada, CHLOROPLAST UNUSUAL POSITIONING 1 is a plant-specific actin polymerization factor regulating chloroplast movement, The Plant Cell, Volume 36, Issue 4, April 2024, Pages 1159–1181, https://doi.org/10.1093/plcell/koad320

[2] Kasahara, M., Kagawa, T., Oikawa, K. et al. Chloroplast avoidance movement reduces photodamage in plants. Nature 420, 829–832 (2002). https://doi.org/10.1038/nature01213

[3] Ariane, Dröscher. (2022). Inspiring imagination – embarrassing analogies: coping with the causes of cytoplasmic streaming. Intellectual History Review, doi: 10.1080/17496977.2022.2071572