老葉的植物王國

  圖片作者：ChatGPT 想像一下，植物可以直接吸收太陽光，進行光合作用，從而生長和發育。這個過程叫做「光形態發生」，它們會根據光的變化調整自己的生長方式。 從很久以前開始，科學家就非常好奇植物是如何感知光線的。他們發現了一些植物，這些植物對光的反應和其他植物不一樣，有的對光不太敏感，有的則是特別敏感，甚至不需要光也能表現出像是在光下生長的特徵。這些特殊的植物幫助科學家找到了一些非常重要的基因，像是DET和COP，這些基因控制著植物對光的反應。 COP1基因是這些發現中的一個亮點。科學家發現，COP1在黑暗中會進入植物的細胞核，然後像一個清道夫一樣清理掉那些促進植物向光生長的因子，比如HY5蛋白。但是，當植物被光照射時，COP1就會停止這種行為，讓HY5這樣的因子累積起來，促進植物生長。這就像是植物內部的一個開關，根據光的有無來調節植物的生長模式。 另一個角色是VIL1，它和一個叫做PRC2的蛋白複合體合作，影響植物的一些重要生物過程。比如，在冬天的低溫下，VIL1會幫助植物控制開花的時機，讓植物知道何時是成熟的時候。不過VIL1的作用不僅限於冬季，它在植物生命的很多方面都有影響，比如幫助植物應對溫度的變化和控制某些基因的表現。 科學家們注意到，COP1和VIL1似乎有一些特殊的關係。為了深入研究，他們做了很多實驗，發現COP1確實可以控制VIL1的分解，從而影響植物的生長。這個過程會影響到一種特殊的標記，叫做H3K27me3，它可以控制基因是否被啟動。COP1通過影響VIL1，進而控制這個標記，影響植物的生長模式。 這項研究讓我們更加了解植物是如何利用光來指導自己的生長的。植物內部有一套非常精密的系統，可以感知光的變化，並且調整自己的行為來適應這些變化。這不僅讓我們對植物有了更深的認識，也為我們提供了很多關於如何更好地利用光來提高農作物產量的思路。 想知道更多嗎？請閱讀 完整版 或直接閱讀論文   參考文獻： Wenli Wang et. al., 2024. COP1 controls light-dependent chromatin remodeling. PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2312853121

  圖片作者：ChatGPT 作為光合自營生物，光對植物當然是非常重要的。植物在接受到光之後，就會進行一連串的發育，被稱為「光型態發生」（photomorphogenesis）。 從二十世紀開始，研究人員先是找尋對光線不敏感的突變株，由此找到了光敏素的基因；在二十世紀後期，許多不同的研究團隊紛紛展開了另一個不同的策略來研究植物如何對光進行反應。 他們尋找對光「過度敏感」，甚至於不需要光就能夠呈現「光型態發生」的突變株。這一系列的研究策略，讓研究團隊找到了如DET（de-etiolation）、COP（CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC）等系列基因。 COP1就是在這個過程中被發現的。後續的研究發現，COP1是一種E3泛素連接酶，它在黑暗環境中進入細胞核內，分解一系列促進光形態發生的轉錄因子，如HY5（長下胚軸5號蛋白），從而抑制光形態發生。當植物暴露於光線下時，COP1的活性受到抑制，這允許HY5等轉錄因子累積，活化光反應基因的表現，進而促進植物的光形態發生。 此外，COP1還與其他蛋白質，如SPA（抑制光形態發生蛋白）複合體互動，進一步調節對光線的反應。 VIL1（VIN3-樣蛋白1）在阿拉伯芥中扮演著重要的角色，尤其是在促進Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2)的活性方面，從而參與多個生物過程。VIL1與VIN3一起在冬季低溫誘發的開花抑制過程（即春化反應）中，通過增強包括組蛋白H3離氨酸27三甲基化（H3K27me3）在內的幾種組蛋白修飾，共同抑制FLOWERING LOCUS C (FLC)的表現。不同於僅在長期低溫條件下誘導的VIN3，VIL1的表達並不僅限於低溫期間，暗示著VIL1可能在更廣泛的過程中發揮作用。實際上，VIL1透過其在促進PRC2活性中的角色，參與了多種生物過程，包括在ABA信號途徑中限制ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3 (ABI3)和ABSCISIC ACID INSENSITIVE 4 (ABI4)的表達，主導溫暖溫度反應，以及在光形態發生過程中抑制生長促進基因的表現。 先前的研究已經發現VIL1在光形態發生中也有作用，這暗示COP1和VIL1之間可能有直接的互動關係。進一步的，透過遺傳分析發現，vil1突變株能夠部分抑制cop1...

  圖片來源：維基百科 植物是光合自營生物。從過去的研究我們知道，植物以光敏素（phytochrome）、向光素（phototropin）與隱花色素（cryptochrome）來感應光，然後啟動一連串的反應：如趨光作用（phototropism，植物的莖向光生長、根背光生長等反應）、光型態發生（photomorphogenesis，子葉開展、葉綠體完成發育、胚軸延長受到抑制等反應）與光合作用（photosynthesis）。過去的研究，對於從光受器（photoreceptor）感應光到啟動光合作用這部分的連結著墨較少，對於如光型態發生與趨光作用的發現較多。 當光受器感應到光，光敏素與隱花色素會讓一個名叫COP1（CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC1）的E3泛素連接酶去活化。而COP1去活化會釋放出另一個叫做HY5（ELONGATED HYPOCOTYL5）的bZIP轉錄因子，接著HY5便會去調節一些基因的表現：這些基因有些是跟光型態發生有關，但其中也有一些是跟葉綠素（chlorophyll）以及類胡蘿蔔素（carotenoid）合成有關。HY5也跟花青素（anthocyanin）的合成有關，所以它與光保護作用（photoprotection）也有一些關係。 最近中國的研究發現，HY5會辨認一個稱為 HCF173 （ HIGH CHLOROPHYLL FLUORESCENCE173 ）的基因的啟動子，使這個基因的表現量增加。由於HCF173會使植物合成更多的光系統II（photosystem II）蛋白質D1，所以使它表現量上升最後便會導致植物合成更多的D1蛋白質，由於D1蛋白質是組成光系統II不可缺少的成員，這使得植物可以進行更多的光合作用。 這個研究發現，讓光受器與光合作用之間到底是怎麼連結的，又添加了一筆記錄。 D1蛋白質是光系統II中非常重要的蛋白質。在光合作用中，當位於光系統II的反應中心葉綠素（reaction center chlorophyll）將電子傳遞給下游的主要電子接受者（primary electron acceptor），啟動光反應的電子傳遞鏈後，反應中心葉綠素會先從D1蛋白質取得電子，如此一來反應中心葉綠素才能回復到電中性，繼續進行下一輪的電子傳遞。而D1蛋白質所缺少的電子會由產氧複合體（OEC，oxyg...