光對植物發育的影響

 

圖片作者：ChatGPT

身為光合自營生物，植物的發育當然會受到光的調節。近代生物技術的進步，讓我們瞭解更多的生物機制，也讓我們可以更仔細地去觀察種種發育現象。

最近，由鄧興旺老師率領的團隊，以阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）為樣本，使用了五種不同的光照條件來研究光照對植物幼苗細胞命運的影響：

1. 持續黑暗（Dark）：植物種子在完全黑暗的環境下生長。
2. 持續光照（Light）：植物種子在持續的白光環境下生長。
3. 黑暗轉光照1小時（D2L1h）：在黑暗條件下生長的植物被轉移到白光下1小時。
4. 黑暗轉光照6小時（D2L6h）：在黑暗條件下生長的植物被轉移到白光下6小時。
5. 黑暗轉光照24小時（D2L24h）：在黑暗條件下生長的植物被轉移到白光下24小時。

在持續黑暗條件下，氣孔細胞發育異常，密度較低，許多細胞仍保留在前體階段。相對於光照條件，黑暗條件下氣孔細胞的形成過程受到抑制。維管組織的分化也受到抑制，與持續光照條件相比有顯著差異。

在持續光照條件下，光照促進了保衛細胞（GCs）的發育，這與黑暗條件下氣孔細胞異常、密度低、許多仍保留為前體階段的情況形成了對比。維管組織的分化在持續光照條件下得到了促進。

當在黑暗條件下生長的阿拉伯芥幼苗轉移到白光下1小時、6小時、24小時後，植物的子葉會開始擴展並變成綠色，頂端鉤狀結構會開展，子葉開始發育。

為了進一步研究這些變化，研究人員對這些處於不同光照條件下的阿拉伯芥幼苗進行了單細胞RNA序列分析（scRNA-seq）。這有助於解答細胞層面上在不同光照條件下的轉錄變化情形。

除了觀察光對於保衛細胞與維管束發育的影響，研究團隊也使用了四個PIFs的突變株，來觀察在缺少PIF時植物的發育。PIF是「光敏素互動因子」（phytochrome interacting factor）的簡稱，當初是以光敏素去進行雙雜交實驗（two-hybrid screening）找到的一群基因。許多是轉錄因子，負責調節特定基因的表達。

研究團隊觀察的PIF包括PIF1、PIF3、PIF4和PIF5，這些統稱為PIF四重奏。這些PIF轉錄因子是光形態發生中的核心負調節因子。缺少這些PIF家族成員的四重突變株（pifq）在黑暗中呈現出持續的光形態發育表型（就是有看到光的樣子）。研究中對黑暗下生長的pifq和野生型（WT）幼苗的地上組織進行了原生質體分離和單細胞RNA序列分析，以瞭解PIF在不同細胞類型中的調節作用。研究團隊發現，PIFs藉由直接影響特定細胞類型中許多目標基因的表達，決定了細胞的發育方向與特化過程，尤其是在氣孔發育與維管束組織的形成和功能化方面，擔任了重要的角色。

總而言之，研究團隊透過以不同光照條件以及缺少PIF的突變株，加上單細胞RNA序列分析，來詳細地觀察光對植物發育的影響。當然，本篇論文著重在初期的發育（幼苗），但已經提供了非常多寶貴的資訊。

參考文獻：

Han, X., Zhang, Y., Lou, Z. et al. Time series single-cell transcriptional atlases reveal cell fate differentiation driven by light in Arabidopsis seedlings. Nat. Plants (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01544-4