自然界的微型感應器：光體（photobodies）

 

圖片來源：Nature Communications

植物需要光，所以所有的植物（除了寄生植物以外）都有「光受器」（photoreceptor）負責做這件事。而且，因為光對於植物非常重要，植物絕對不會只有「一個」光受器。每一種植物都有好幾個光受器，負責看光的顏色、方向、強度。

在高等植物如阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana），負責看對於光合作用最重要的紅光的光受器是光敏素（phytochrome）。阿拉伯芥總共有五個光敏素，分別依照英文字母順序命名。

其中最主要的光敏素是光敏素A與光敏素B。而光敏素B尤其重要，因為光敏素B負責看植物在一般狀況下的光，所以對植物生長發育的影響極大。

過去的研究已經發現光敏素B不只會感光還會感熱。在20世紀末時，沙克研究所的研究團隊注意到，光照會讓植物的細胞核內出現一些被稱為「光體」（photobodies）的構造。

後續的研究發現，光體裡面最重要的成員是光敏素B，另外還有「光敏素互動因子」（PIFs，phytochrome interacting factors）以及其他的蛋白質。光體沒有細胞膜，只在照光以後會出現。

為什麼會形成光體呢？雖然有些科學家覺得這只是隨機產生的「東西」，但也有些科學家不認同這個看法。就像人不會完全沒有理由就聚集成群一樣，對於植物這種自營生物來說，每個動作應該都是有理由的。

為了研究光體，加大河濱分校的研究團隊發明了一種稱為Oligopaints的螢光原位雜交（FISH）技術來標記個別光體。透過這個技術，他們得以用基因序列來標記個別光體。

研究團隊發現，這些在顯微鏡下看起來像「斑點」（speckle）的光體，其實有12種！這些光體根據它們是否與染色中心相關，以及它們是否位於核仁周邊，可被分為兩類：

核仁相關光體（Nuo-PBs）：這類光體位於核仁周邊，並且可以進一步劃分為與特定染色中心相關的幾種光體，例如Nuo-CC2-PB, Nuo-CC3-PB, Nuo-CC4-PB等。 非核仁相關光體（nonNuo-PBs）：這類光體位於核仁以外的位置，同樣可以劃分為多種，如nonNuo-CC1-PB, nonNuo-CC2-PB等。

另外，他們也發現，可以透過光照或溫度來調節光體的大小以及出沒。例如，在強紅光（R light）下，活化態的光敏素B（Pfr）含量增加，這會導致少數幾個較大的光體形成。這是因為高濃度的光敏素B有助於推動更大範圍的液-液相分離（LLPS），形成較大的光體。而低溫會讓光敏素B的活化態變得穩定，這同樣可以促進較大光體的形成。當溫度升高時，光體的類別就減少了，從九種（16度C）減少到五種（27度C）。

光體在較高溫度下數目減少的原因，有可能是光體們彼此合併、也有可能是有些種類的光體消失了。為了證光體減少是因為消失而不是合併。研究團隊進行了一系列實驗。

首先，他們觀察了不同溫度（16°C和27°C）下光體的變化，特別是那些在低溫時常見但在高溫時減少的光體類型。如果光體是因為合併而減少，那麼在高溫下應該會觀察到較少但更大的光體。然而，研究團隊發現，特定溫度敏感的光體在高溫下實際上是消失了，而不是合併成更大的光體。

此外，進一步的分析顯示，即使在只剩下一個光體的細胞中，這個剩餘的光體也可能是非核中心相關的光體（nC-PBs），它們通常比較小且分散。這意味著在較高的溫度下，光體的減少是因為特定光體的消失，而非光體之間的合併。

所以，溫度對光體數目影響的機制是透過讓特定的溫度敏感光體消失來實現的，而不是因為合併。這些發現有助於更好地理解植物如何透過光體調節其對溫度變化的反應，研究團隊認為光體在較高溫度下的消失現象可能與光敏素B有關，畢竟之前的研究已經發現，光敏素B是可以感應溫度的。

簡而言之，這個研究不僅發現了植物內部如何精細調控這些光體，也幫助我們理解植物如何利用這些結構來適應不斷變化的環境。期待未來光體的研究能讓我們對植物如何感光與感熱有更多的理解！

參考文獻：

Du, J., Kim, K. & Chen, M. Distinguishing individual photobodies using Oligopaints reveals thermo-sensitive and -insensitive phytochrome B condensation at distinct subnuclear locations. Nat Commun 15, 3620 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47789-1