老葉的植物王國

  番茄。圖片取自維基百科 植物雖然沒有眼睛或感覺神經，卻能知道自己周圍的環境變化。當其他植物擋了它們的光，它們會努力伸長莖來找到能曬到更多太陽的地方；當天氣變熱時，有些植物會改變生長模式來適應高溫。這些調控機制來自於植物體內的「感測器」──光敏素和光敏素交互因子（PIFs）。 所有的植物都有PIF，但是用法都一樣嗎？ 看文章

  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（...

圖片來源： 維基百科 植物種子發芽後，受到光與重力的影響，莖與葉往上生長，根則往下生長。這究竟是怎麼辦到的？這方面的研究，尤其是光如何影響植物的生長（稱為趨光性phototropism），早已經有許多論文發表；而趨地性（gravitropism）的研究也有不少。 最近發表在「美國國家科學院院刊」（PNAS）上的一篇論文，研究了關於 LAZY4 這個基因如何透過與不同的基因合作，在植物的不同部位調節植物器官的趨地性。 LAZY 這個基因家族最早在水稻中發現。過去的研究發現，水稻缺少 LAZY1 這個基因會導致莖部出現倒伏，而缺少 LAZY2 到 LAZY4 則會增強缺少 LAZY1 的性狀，顯示它們可能都與趨地性有關。後續的研究發現， LAZY4 會正向調控植物的趨地性。 在這篇論文中，研究團隊發現 LAZY4 在植物的地上部分主要與「光敏素互動因子」（PIFs，phytochrome interacting factors）互動，而在地下部分（根）則與「伸長的胚軸5」（HY5，elongated hypocotyl5）互動。不論是PIFs或HY5，它們與 LAZY4 的互動都會使得 LAZY4 的表現量上升。 在地上部分，因為光會使PIFs分解，造成讓 LAZY4 表現量上升的因素消失，所以 LAZY4 的表現量就維持在低檔，於是地上部分的趨地性就不表現。當研究團隊在地上部分高量表現 LAZY4 時，植物地上部分的負趨地性就消失，但澱粉粒（amyloplast）的形成並不受影響。 而在根，因為光會刺激HY5的累積，造成 LAZY4 表現量上升，於是根的正趨地性就出現了。 總而言之，同樣的一個基因（ LAZY4 ）在不同的器官表現，但因為在不同的器官與其互動的基因不同，造就了不同的結果。 參考文獻： PNAS August 4, 2020 117 (31) 18840-18848