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揭秘質體(plastid)遺傳:環境與基因共舞的奧秘

 

質體家族。圖片來源:維基百科

聽過質體(plastid,也稱為色素體)嗎?質體是植物裡面的「半自律胞器」(semi-autonomous organelle)」的一種,其中最有名的就是葉綠體(chloroplast)了。但是,除了葉綠體,還有有色體(chromoplast)與白色體(leukoplast)這些可以互相轉換的胞器。

質體有自己的基因,會自行複製,所以被稱為「半自律胞器」。另一個「半自律胞器」是動植物皆有的粒線體(mitochondria)。

粒線體是母系遺傳,我想這個應該不需要再多說了;但是葉綠體(質體)呢?

葉綠體通常是母系遺傳的,因為在大多數植物中,精細胞(來自父親)在受精過程中只提供DNA(精核),而不提供胞器如質體或粒線體。另一方面,卵細胞(來自母親)提供了完整的細胞質,包括胞器。因此,質體和它們的DNA大多來自母親,導致了母系遺傳的現象。

不知道大家有沒有注意到,上面用了「通常」兩個字。意思就是有例外。什麼樣的狀況下例外呢?

目前所知有兩個狀況。第一個狀況是,攝氏十度的低溫。

研究發現,攝氏10度的處理,會有0.16%的胚胎中出現父系的質體。但是為什麼低溫就會讓部分的胚胎有來自父系的質體,目前並不清楚。

第二個狀況是,缺少dpd1

dpd1defective in pollen organelle DNA degradation1的簡稱,因為當初觀察到,被子植物的花粉成熟過程中,胞器的DNA會被分解;於是就有研究團隊想看看這個過程與什麼基因有關。他們從突變株中尋找花粉的胞器DNA不會減少的突變株,並將這些突變株命名為「dpd」。

dpd1就這樣被分離出來,它是一個外切核酸酶(exonuclease),負責分解質體的DNA。花粉成熟時,胞器會被排除,而dpd1是負責把剩下的胞器DNA給分解掉。可能是因為這樣,所以研究團隊發現缺少dpd1的突變株,質體出現父系遺傳的機率增加為0.16%-0.25%。

如果把dpd1突變株拿去用攝氏10度的低溫處理呢?研究團隊的確也是這麼做了,結果質體出現父系遺傳的機率增加了大約10倍,介於2.18%-3.16%之間。

為什麼會發生這樣的事呢?論文中並未提出可能的機制,但是這兩件事合併居然有這樣的效果,顯示了低溫走的途徑應該與dpd1不同,所以兩者合併之後產生了相乘效果。

參考文獻:

Matsushima R, Tang LY, Zhang L, Yamada H, Twell D, Sakamoto W. A conserved, Mg²+-dependent exonuclease degrades organelle DNA during Arabidopsis pollen development. Plant Cell. 2011 Apr;23(4):1608-24. doi: 10.1105/tpc.111.084012. Epub 2011 Apr 26. PMID: 21521697; PMCID: PMC3101548.

Chung KP, Gonzalez-Duran E, Ruf S, Endries P, Bock R. Control of plastid inheritance by environmental and genetic factors. Nat Plants. 2023 Jan;9(1):68-80. doi: 10.1038/s41477-022-01323-7. Epub 2023 Jan 16. PMID: 36646831; PMCID: PMC9873568.

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