跳到主要內容

保衛細胞(guard cell)到底會不會行光合作用?

 

圖片來源:維基百科

每天晨曦初露時,地平線上的每棵植物開始忙著張開氣孔(stomata),讓外界的二氧化碳得以進入,好讓葉片內的葉肉細胞(mesophyll)能夠得到足夠的原料來進行光合作用。

但是到底是什麼讓氣孔張開?氣孔是由兩個保衛細胞(guard cell)構成。過去曾有一說認為,光使得保衛細胞中的葉綠體開始進行光合作用,而光合作用會產生單糖與多醣,這使得保衛細胞的滲透壓(osmotic pressure)上升,於是水分就從周圍的表皮細胞進入保衛細胞,產生膨壓造成保衛細胞的不對稱膨脹,讓氣孔張開。

但是隨後的研究發現,不同植物的保衛細胞中葉綠體的數目變化很大,有些甚至沒有葉綠體!而有些植物的保衛細胞雖然有葉綠體,但是葉綠體中卻沒有RuBisCo(光合作用碳反應的第一個酵素)。這些發現都不支持保衛細胞是因為進行光合作用氣孔張開的說法。

後續的研究發現,氣孔張開其實是因為光啟動了氫離子幫浦,使氫離子運出保衛細胞造成細胞膜去極化(depolarization),接著造成鉀離子與氯離子進入保衛細胞,於是保衛細胞內的滲透壓就上升,接著水分進入...氣孔張開。

這些研究解決了氣孔張開的機制,但是卻留下了一個問題:如果保衛細胞不會進行光合作用,那麼保衛細胞的能量來源是什麼?雖然保衛細胞的滲透壓上升與光合作用無關,但氫離子幫浦的啟動需要消耗能量(ATP),也就是說,氣孔張開的機制其實只解出了一半。

這些年在不同植物的研究還是因植物而異。最近有研究團隊以阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)為模式,找到了保衛細胞的能量來源。

首先,研究團隊發現阿拉伯芥保衛細胞的葉綠體偵測不到光合作用的發生。不過,保衛細胞會藉由分解自己儲存的澱粉來產生能量,由此而啟動氫離子幫浦。

接下來研究團隊想知道的是,這些儲存的澱粉從何而來?如果阿拉伯芥保衛細胞的葉綠體不會進行光合作用,那麼澱粉是怎麼產生的?

研究團隊發現,保衛細胞的澱粉雖然是自行合成的,但是合成澱粉的糖與能量是來自於葉肉細胞。也就是說,在阿拉伯芥中,保衛細胞利用葉肉細胞所產生的糖與能量,來合成自己所需要的澱粉;而這些澱粉與(來自葉肉細胞的)糖在分解後所產生的能量,則用來啟動氫離子幫浦,讓氣孔張開。

最後要強調,雖然阿拉伯芥的保衛細胞真的不會進行光合作用,但這不表示「所有」植物的保衛細胞都不會。植物與植物之間的差別,大抵就像不同種類的動物之間的差別,不可一概而論。

研究團隊提供了影音檔~大家可以看看~



參考文獻:

Shey-Li Lim, Sabrina Flütsch, Jinhong Liu, Luca Distefano, Diana Santelia, Boon Leong Lim. Arabidopsis guard cell chloroplasts import cytosolic ATP for starch turnover and stomatal opening. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-28263-2

留言

  1. Thank you for your interpretation of our studies.
    We have prepared a video in 普通話.
    https://www.youtube.com/watch?v=ESWc971LSR8
    Please feel free to download or use for teaching.
    Boon Leong Lim

    回覆刪除

張貼留言

這個網誌中的熱門文章

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 。

製作尿素(urea)的新方法

尿素。圖片來源: 維基百科 尿素是很重要的氮肥。全世界產生的氨(ammonia)有八成用來合成尿素,而用來合成氨的哈伯法(the Haber-Bosch process)需要在攝氏五百度下加壓(20 MPa)。 傳統合成尿素的方法是用氨與二氧化碳在攝氏兩百度下加熱。若與哈伯法一起計算,每年全世界為了合成尿素要消耗掉百分之二的能源,過程中還釋放了大量的溫室氣體。 最近中國湖南大學的研究團隊開發了一個新的方法,可以在室溫常壓下,在水裡以氮氣與二氧化碳直接合成尿素。 反應在流動反應器池中進行,池中包含由載有催化劑的碳紙製成的陰極和鎳基陽極。電極由膜隔開,位於裝有碳酸氫鉀水溶液的腔室內。研究人員將氮氣和二氧化碳送通過電池,以使兩種氣體均吸附在催化劑上並反應生成尿素。催化劑則是由二氧化鈦奈米片上的鈀-銅奈米粒子組成。 在催化劑表面,氮氣促進了二氧化碳的還原,生成一氧化碳。然後,一氧化碳與氮氣反應生成一些中間物種。一氧化碳與這些中間體之間的進一步相互作用使氮氣氫化並形成碳-氮鍵,從而產生尿素。 該系統的效率(可衡量生產尿素的電力份額)約為9%。雖然該反應的效率和生產率仍然很低,要使其實用化還有很長的路要走,但是這還是提供了小規模生產尿素的可能性,可以讓更多國家有能力生產它。 尿素在1824年第一次由德國化學家弗里德里希·維勒(Friedrich Wöhler,1800-1882)以氰酸中加入氨水後蒸乾合成出來。當時他並不知道這個化合物是什麼,直到1828年證明了這些白色晶體就是尿素。尿素的人工合成打破了當時人們的一個迷思:有機化合物不能以人工合成。這個反應被認為開啟了有機化學這個領域。 參考文獻: Nat. Chem. 2020, DOI: 10.1038/s41557-020-0481-9

「青仔欉」俗諺的由來

取自:消失的40年代:造飛機的小孩們 一直以為「青仔欉」用來罵白目的人,是因為檳榔樹就這樣平地而起,有點突兀的關係;原來「青仔欉」是因為日圓百元券背面印檳榔樹,於是就被俗稱為「青仔欉」。  由於日治時代百元券非常少見,所以沒看過「青仔欉」的人就是少見世面的人。 換做現在的臺灣,大概可以說是沒看過二千元鈔的人吧?那麼是要說沒看過「櫻花鉤吻鮭」還是要說沒看過「南湖大山」呢? 參考資料: 中央銀行新聞稿。 新聞發布第075號(發行新臺幣貳仟圓券) 陳婉真著。消失的40年代:造飛機的小孩們。白象文化。