跳到主要內容

或許有一天我們真可以自己進行光合作用!

動物能行光合作用嗎?有一種蠑螈,稱為斑點鈍口螈(Ambystoma maculatum),在胚胎時期是可以的。斑點鈍口螈的胚胎與Oophila amblystomatis這種單細胞藻類共生,使牠的胚胎看起來像綠色的水晶球。

而且,Oophila與蠑螈之間構成了一個和樂的小社會:與Oophila共生的細胞,將他們的粒線體安排在Oophila的旁邊,盡情地利用Oophila產生的氧氣;而蠑螈胚胎細胞呼吸作用產生的廢物,馬上就被一旁的Oophila拿來進行光合作用。

斑點鈍口螈。圖片來源:wiki
還有其它的動物嗎?有的。在過去,就已發現另一種可以行光合作用的動物。這種動物叫做綠葉海天牛(Elysia chlorotica)。
綠葉海天牛(Elysia chlorotica)。圖片來源:wiki
在1970年代,綠葉海天牛早就被發現可以進行光合作用了;不過,當科學家們嘗試著鑑定部分海天牛的序列時,並未找到任何來自葉綠體的基因;因此,在過去一直認為,綠葉海天牛只是將葉綠體保存在自己體內,讓葉綠體與自己的體細胞共生(稱為kleptoplasty);就像斑點鈍口螈與Oophila一樣。

不過,斑點鈍口螈與Oophila只有在胚胎時期共生,而且是整個藻類細胞與蠑螈的胚胎;而綠葉海天牛則好像讓藻類的葉綠體在自己的細胞內生存的久了點...多久呢?根據過去的觀察,這些葉綠體可以在綠葉海天牛體內活九個月,甚至連在原來的藻類(Vaucheria litorea)細胞中都沒有活那麼久。

因此,研究團隊決定要再次看看,究竟綠葉海天牛是不是單純的與藻類的葉綠體共生呢?這次,他們用了FISH(fluorescent in situ hybridization)這個技術,以螢光標記發現了:藻類的prk基因果然存在於綠葉海天牛的幼體與成體中!

prk基因是什麼呢?它的全名是phosphoribulokinase,負責卡爾文循環(Calvin cycle,光合作用的第二個部分)的最後一個反應:

ATP + D-ribulose 5-phosphate ←→ ADP + D-ribulose 1,5-bisphosphate

D-ribulose 1,5-bisphosphate是帶有兩個磷酸根的五碳糖,它是卡爾文循環的最終產物,也是起始的原料(所以才叫做卡爾文「循環」);若沒有這個反應,卡爾文循環無法圓滿,光合作用便無法繼續。因此,它對光合作用非常重要。

這個基因,原本是位於藻類的染色體上,但研究團隊發現它出現在綠葉海天牛的成體與幼體的染色體上。這可是難得發現的真核生物間的基因平行轉移(horizontal transfer)呢!

所以,綠葉海天牛並不僅僅將藻類(牠的食物)的葉綠體留在自己的細胞中共生,而是將藻類的部分基因據為己有;於是當葉綠體進入細胞後,便可以安心地在體內安居樂業起來囉!

過去,我們常在課堂上討論:動物到底要如何裝備自己,才能進行光合作用呢?葉綠體當然不可或缺,但是否還有其它的「設備」需要取得呢?從綠葉海天牛的例子可以看到,如果我們把prk基因植入體內,接著只要能克服免疫排斥的問題,人類進行光合作用的那一天,或許離我們不遠囉!

本文版權為台大科教中心所有,需經同意始可轉載)

參考文獻:

Ryan Kerney, Eunsoo Kim, Roger P. Hangarter, Aaron A. Heiss, Cory D. Bishop, and Brian K. Hall. 2011. Intracellular invasion of green algae in a salamander host. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108(16):6497–6502, doi: 10.1073/pnas.1018259108

Julie A. Schwartz, Nicholas E. Curtis and Sidney K. Pierce. 2014. FISH Labeling Reveals a Horizontally Transferred Algal (Vaucheria litorea) Nuclear Gene on a Sea Slug (Elysia chlorotica) Chromosome. The Biological Bulltin.227(3):300-312.

2015/2/3. Sea slug has taken genes from algae it eats, allowing it to photosynthesize like a plant. Science Daily.

留言

這個網誌中的熱門文章

怎麼辦到的?變形藤(Boquila trifoliolata)模仿塑膠植物

  左:原來的葉片。右:模仿的葉片。圖片來源: 期刊 之前我們提到過一種奇妙的植物「變形藤」( Boquila trifoliolata ),它原產於南美洲智利中、南部與阿根廷。在2014年就被發現它 為了減少自己被吃 ,發展出奇妙的變形能力:爬到誰身上就長得像誰。 後來在2021年 發現 ,它不只是形狀學得像,連人家身上一大半的細菌都搬過來了。這就奇妙了。 為什麼「變形藤」能夠學得這麼像呢?是寄主植物釋放了揮發性化合物?還是寄主植物跟它進行了基因的交換?還是它真的能「看」? 研究團隊這次用了塑膠植物給它模仿。塑膠植物沒有基因、也不會釋放揮發性化合物,這樣就可以排除前兩個因素了。 結果「變形藤」還是學得維妙維肖,而且,一個月以後,它還學得更像。 難道它真的會「看」嗎?只能說這棵藤本植物真是太奇妙了。 參考文獻: White J, Yamashita F. Boquila trifoliolata mimics leaves of an artificial plastic host plant. Plant Signal Behav. 2022 Dec 31;17(1):1977530. doi: 10.1080/15592324.2021.1977530. Epub 2021 Sep 21. PMID: 34545774; PMCID: PMC8903786.

植物界的變色龍Boquila trifoliolata如何模仿?

  圖片來源: 維基百科 信不信植物界也有變色龍?原產於南美洲智利中、南部與阿根廷的藤本植物 Boquila trifoliolata 在攀爬到其他樹上時,葉片的形狀會從原本的長鈍橢圓形三出複葉改變為宿主植物的形狀;甚至當它從一種植物攀爬到另一種植物時,葉片的型態也會跟著改變。 過去的研究發現, Boquila trifoliolata 之所以做這樣的改變,可能是因為 可以讓它避免被吃 。但是到底「變色龍藤」是怎麼「看」到它攀爬上去的植物長什麼樣子呢? 最近發表在Scientific Report上的研究發現,「變色龍藤」可能是從「宿主」的菌群(microbiota)得到資料。研究團隊收集了「變色龍藤」模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)、沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT),以及「宿主」的菌群(RS)。結果發現,沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT)與「宿主」的菌群(RS)之間只有共享了79個獨特的OTU(操作分類單元,可能代表細菌的屬或種),但模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)與「宿主」的菌群(RS)之間卻共享了255個獨特的OTU!更有趣的是,沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT)與模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)間也只共享了33個OTU。 這個結果顯示了,「變色龍藤」能模仿「宿主」的型態,與它們之間共享的菌群高度相關。但是究竟「變色龍藤」是如何從這些菌群得到資料?這就有待進一步的研究了。 參考文獻: Gianoli, E., González-Teuber, M., Vilo, C. et al. Endophytic bacterial communities are associated with leaf mimicry in the vine Boquila trifoliolata. Sci Rep 11, 22673 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-02229-8

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯( Ipomoea batatas )從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎? 圖片來源: 農委會 上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔! 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢! 至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉! 最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔! 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔! 參考文獻: 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。