發現葉綠體發育關鍵基因

對絕大部分的植物來說，進行光合作用是最重要的事，而要進行光合作用就需要葉綠體（chloroplast）。所以，葉綠體能不能正常發育，對植物非常重要。

過去的研究發現一個稱為GLK（GOLDEN2-LIKE）的基因，它是一個轉錄因子（transcription factor）。從苔蘚到被子植物中，都可以找到GLK；在大多數被子植物中都有兩個GLK。缺少它們的植物呈現淡綠色、葉綠體發育不完全、內部的類囊體出現結構異常。分子層面的研究發現，GLK調控與葉綠素生合成、光系統I、II功能相關的基因。

但是，葉綠體的發育對植物來說實在太重要，一般來說，這樣重要的事，生物體不會只交給一條路徑來調節；於是研究團隊決定要再仔細看看。

當然，牽涉到這麼重要的事情的基因，也有可能是「必需」（essential）的基因；這也就是說，它們發生突變會造成植物直接死給你看。如果是必需基因，那麼這樣的突變株就找不到了。（楚留香的名言：死人是不會說話的。）

不過，研究團隊決定不從突變株找起。他們決定去分析植物在去白化（de-etiolation）過程中的基因表現數據。

什麼是「去白化」呢？

這樣說吧，你吃過豆芽菜嗎？豆芽菜就是所謂的「白化苗」（etiolated seedling）。把綠豆或黃豆種在無光的狀況下，它們會長出細細長長的「莖」（其實是胚軸）、淡黃色且閉合的葉片，這是因為在沒有光的狀況下，植物為了要保命，一方面積極地把自己伸長好尋找光線，另一方面則不讓葉綠體發育，這樣才能在子葉的養分耗盡之前，讓自己伸到最長，提高找到光線的機率。

但是，若你把豆芽菜照光，植物馬上會開始合成葉綠素、發育葉綠體、打開子葉、停止胚軸延長...這個轉變就被稱為「去白化」。去白化是一個非常熱鬧的過程，牽涉到非常多基因！

不過，研究團隊把眼光放在去白化過程中對光有反應的轉錄因子上。而且，因為葉綠體的發育應該是對絕大多數的植物都很重要、甚至是必需的，所以他們認為這樣的基因，應該會跟GLK一樣是從簡單到複雜的植物都長得差不多。

於是，他們同時分析了地錢（Marchantia polymorpha）與阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）的去白化過程中的基因資料，找尋對光有反應的轉錄因子。最後，他們在地錢中得到14個候選「人」。

接著，他們用CRISPR把這14個基因一一「砍」掉，最後發現，除了GLK之外，只有另一個基因RR-MYB5出現淡綠色的外觀。

而後，他們發現這個基因有一個相似的同源基因RR-MYB2。結果，當他們把這兩個基因同時從地錢「砍」掉以後，地錢的葉綠體含量降到剩下5%，且葉綠體明顯變小。多小呢？比少了GLK基因的地錢還要小30%！

少了兩個MYB的地錢（右一），比少了GLK（右二）的更小。圖片取自期刊

這個基因，在阿拉伯芥裡面有沒有呢？有的。研究團隊發現，阿拉伯芥的MYBS1與MYBS2就是RR-MYB2與RR-MYB5的同源雙胞胎。少了這兩個基因的阿拉伯芥，葉綠素含量下降了40%，葉綠體也明顯的變小、類囊體發育不完全。

少了兩個MYB的阿拉伯芥（右）。圖片取自期刊

研究團隊分析少了這兩個基因的突變株發現，它們調節的基因比GLK還多！前面提到，GLK調控與葉綠素生合成、光系統I、II功能相關的基因，但是這兩個MYB基因不僅調節葉綠素生合成、光系統I、II功能，還調節固碳、光呼吸、光系統修復相關的基因。

那麼，這兩個MYB能不能讓少了GLK的植物恢復正常呢？答案是不能。而且，GLK也無法讓少了兩個MYB的突變植物恢復正常。這意味著，這兩個MYB與GLK雖然調控的基因有一些重疊、也都對葉綠體的發育很重要，卻還是有各自獨特的地方。

有趣的是，研究團隊發現少了GLK的植物，兩個MYB的表現量都增加了；但是少了兩個MYB的植物，GLK的表現量卻變少了。這意味著它們彼此之間會互相協調。另外，研究團隊在GLK基因的內含子（intron）中找到MYB可以辨認的序列，所以有可能MYB可以直接調控GLK的表現。

總而言之，透過研究去白化基因的表現，研究團隊找到了兩個轉錄因子與葉綠體的發育有關，且這兩個轉錄因子與之前就發現的GLK存在著互動。缺少這兩個基因的植物，葉綠素含量會大幅下降、葉綠體發育不良、類囊體發育不完全。

有點可惜的一件事是，研究團隊並沒有研究這兩個基因是不是受到光敏素調控。雖然去白化過程的總指揮的確是光敏素，所以光敏素會調控它們的表現也很正常，但是沒有實驗去驗證還是非常遺憾的一件事。

參考文獻：

Frangedakis, E., Yelina, N. E., Billakurthi, K., Hua, L., Schreier, T., Dickinson, P. J., Tomaselli, M., Haseloff, J., & Hibberd, J. M. (2024). MYB-related transcription factors control chloroplast biogenesis. Cell, 187(1), 1-18. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.039