老葉的植物王國

  貝氏布拉藻。圖片來源：維基百科 固氮反應（nitrogen fixation）在過去一向被認為是微生物（細菌、藍綠菌、古菌）才具備的技能。畢竟，要打開氮氣（N 2 ）的三個化學鍵，需要投入大量的能量才能完成，這使得負責這個反應的酵素對氧氣極為敏感，於是固氮反應就成為厭氧的反應。 也因此，能夠固氮的根瘤菌，需要植物形成根瘤這樣的無氧環境，才能開始固氮；而能夠固氮的藍綠菌則是各出奇招，想辦法製造無氧或微氧的環境，讓它可以固氮。 一般的藻類，要獲取這樣的能力，是否是「不可能的任務」呢？但是就在2012年，美國加州大學的研究團隊發現了一個奇妙的藻類「貝氏布拉藻」（ Braarudosphaera bigelowii ），它的體內有一個小小的藍綠菌稱為UCYN-A。這個藍綠菌負責幫忙貝氏布拉藻固氮，而貝氏布拉藻則投桃報李，給它它需要的糖、胺基酸、核酸等等。 在2012年時，研究團隊便已經發現，UCYN-A缺乏會產生氧氣的光系統II以及細胞呼吸中非常重要的檸檬酸循環。這就讓科學家們懷疑，會不會UCYN-A早就不是共生體，而是已經成了貝氏布拉藻的胞器呢？ 於是他們進行了一系列的研究。 首先，他們用軟X射線斷層掃描（SXT）獲得了貝氏布拉藻細胞及其中的UCYN-A的三D結構圖像。這種技術可以顯示出細胞內部的詳細結構，包括UCYN-A在內。研究團隊觀察到UCYN-A在細胞中有固定的位置，在貝氏布拉藻的胞器之間具有確定的空間關係，這意味著它已緊密整合入藻類細胞的結構中。 同樣是透過SXT，研究團隊發現UCYN-A的分裂與貝氏布拉藻的細胞核和葉綠體的分裂有明確的時間順序。在貝氏布拉藻的暗週期中，首先發生的是UCYN-A的分裂，然後是粒線體的分裂、接著核和葉綠體也開始分裂，最後細胞進行最終的細胞分裂（細胞質分裂），產生兩個新的細胞，每個細胞都包含一個UCYN-A、一個核和若干個葉綠體。這種分裂的同步性意味著，UCYN-A與藻類細胞的生長和分裂過程高度整合，這也是胞器的特徵之一。 透過蛋白質體學分析，研究團隊確定了多個由貝氏布拉藻基因體產生、並在UCYN-A中豐富存在的蛋白質。這些蛋白質包括了「魯必斯科」（RuBisCO）這個負責碳反應（卡爾文循環）的最重要酵素以及進行光反應所必需的幾個成員。缺少這些蛋白質意味著UCYN-A不能進行光合作用，必須依靠貝氏布拉藻來供...