揭秘植物趨光性（phototropism）：空氣通道的奧秘

 

圖片作者：ChatGPT

從希臘時代，人們就對於植物會朝著光源的方向生長感到好奇。所以達爾文與他的兒子做了一系列的實驗來研究植物為什麼會有趨光性（phototropism）當然一點也不奇怪。

達爾文父子的研究，開啟了生長素（auxin）的發現以及向光素（phototropin）的發現。向光素是一個藍光受器，可以在感應到單側藍光時啟動植物的趨光反應。只是，到底向光素怎麼看到光呢？它看到的是什麼樣的光？

最近的一個研究發現，植物的光受器看到的，其實是折射光（refraction）。原來，植物的細胞壁空間，並不是完全充滿水的，也有空氣在裡面。當光線通過細胞壁空間時，會因為空氣與水這兩種不同的介質而發生折射。而植物的光受器們需要這個折射讓它們判別光線。

這個現象是怎麼發現的？要從2016年說起。那時候，瑞士的研究團隊啟動了一輪的突變株篩選，目的是要找尋對感應光有問題的植物，好找出更多與光感應相關的基因。

他們用藍光照射這些突變株，大部分的突變株對藍光的反應都正常，但其中的一株卻看不到光的方向。而且，這株突變株的胚軸竟然是「透明」的！

他們找到了這棵突變植物的問題基因，是一個運輸蛋白（transporter），稱為ABCG5 (ATP-BINDING CASETTE G5)。進一步的測試發現，這株突變植物（abcg5）沒有感應重力的問題，而且它對不同強度、不同顏色的光的生長抑制反應也正常，只是，它看不到光的方向。

接著，研究團隊用不同強度的1分鐘藍光脈衝照射了白化苗。結果，野生種植物顯示了鐘形的光通量-反應曲線。然而，abcg5突變株對這個光線信號還是沒有反應。進一步以雙側藍光（一邊比較強）來照射也發現，abcg5突變株的反應比野生種慢得多。

是不是向光素出了問題呢？研究團隊發現abcg5突變株的向光素信息傳導路徑沒有問題，該傳遞的資訊都傳遞出去了。但是很特別的是，生長素的不對稱分布卻沒有出現。

研究團隊注意到abcg5突變株的角質層滲透性有問題。可是，另一個角質層有問題的突變株並沒有找不到光的方向的問題。

有趣的是，當研究團隊把abcg5突變株的幼苗放在水上，它竟然沉下去了！野生種的幼苗可是會浮上來的！這是否意味著突變株體內的空氣少很多呢？由於過去的研究已經知道，細胞壁的空間裡會有空氣，所以研究團隊就仔細觀察了細胞壁的空間。

結果發現，野生種的細胞壁空間有空氣，但是突變株沒有。所以，是不是這個細胞壁空間裡的空氣影響了突變株植物對單側光的感應能力呢？

研究團隊想辦法把野生種植物以及白菜的幼苗拿去處理，讓細胞壁空間裡的空氣被趕出來。結果處理過的幼苗的趨光反應就大為降低了，但是重力反應（趨地性）沒有受到影響。

所以，植物需要細胞壁的空間裡面有空氣讓光線可以折射，這樣它的光受器才能準確地判斷光的方向。當ABCG5這個運輸蛋白故障的時候，細胞壁空間充滿了水，導致光線沒有被折射，植物就無法判別這個光線的方向了。

原來植物就像個潛水人一樣地看世界，真的好酷！

參考文獻：

Ganesh M. Nawkar et al. ,Air channels create a directional light signal to regulate hypocotyl phototropism.Science382,935-940(2023).DOI:10.1126/science.adh9384