移植「葉」明珠！如何在高等植物中放入蛋白核？
從小到大上過的生物學課程的植物部分，幾乎都是繞著高等植物講的。所以我們知道高等植物有葉綠體（chloroplast），有葉綠餅（thylakoids），但是卻不知道在構造比較簡單的藻類的葉綠體裡面，竟然有一種奇妙的器官：蛋白核（pyrenoid）。
以萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）為例，它每一個葉綠體都有一個光學顯微鏡下可見的蛋白核。因為看起來很像一個「果核」，所以就用了希臘文的「果核」（pyrene）來命名[1]。
蛋白核的功能是什麼呢？雖然一開始因為外面包裹著澱粉，曾經被誤會成是藻類合成澱粉的構造，但是隨後越來越多的研究發現，蛋白核與澱粉合成無關，反而對光合作用很重要。
蛋白核的功能是幫助葉綠體濃縮二氧化碳，以提升藻類的光合作用效率。生活在水中雖然不必擔心乾旱的問題，但是二氧化碳在水裡的擴散速率比在空氣中慢了一萬倍。另外，水從空氣中吸收二氧化碳的速度也很慢，這使得水中的二氧化碳很容易耗盡。因此，如果沒有蛋白核的協助，藻類RuBisCo的作用效率會很低。
蛋白核裡面的蛋白質，有九成都是RuBisCo。觀察蛋白核的構造發現，它具備有「穿膜系統」（pyrenoid-traversing membranes）將二氧化碳輸送到進行光合作用的區域，讓藻類能有效率的固碳。因為有了蛋白核，所以綠藻的光合作用效率比高等植物好。
隨著地球上人口愈來愈多，糧食生產成唯一個重要的議題。但是，地球就這麼大一個，能耕種的地方就這麼多，想增加糧食生產就只能靠著提升單位面積的產量。當然，提升農作物的光合作用效率，絕對是一個重要的解方。
為了要提升農作物的光合作用效率，科學家們最近這幾年一直在致力於兩方面：一、將C3植物（如水稻）改造為C4植物；二、將蛋白核置入農作物的葉綠體。
其中，要將C3植物改造為C4，雖然聽起來很有趣，但做起來卻困難重重。為什麼呢？因為這兩種植物之間的差異並不只是代謝途徑而已，連解剖學上的構造都有極大差異。因此，把蛋白核置入農作物的葉綠體，或許會更有可行性...雖然也牽涉不少基因。
目前研究團隊已經將綠藻的兩個基因放進阿拉伯芥中，而在這篇論文中，他們又找到了一個新的基因[2]。
他們透過突變株篩選，找尋在低二氧化碳下出現生長異常的萊茵衣藻，結果發現了一個稱為MITH1的基因。
缺少這個基因的萊茵衣藻，其蛋白核缺少了穿膜系統，導致在低二氧化碳濃度下無法正常生長。由於過去已找到另一個突變株也有類似的性狀，因此研究團隊認為，這兩個基因可能都對蛋白核的形成很重要。
研究團隊將這兩個基因放進已經有另外兩個基因的阿拉伯芥中。雖然還不知道光合作用效率如何，但是這個轉殖作物的葉綠體裡面，已經出現了類似蛋白核的穿膜結構。
所以，透過篩選具有特定性狀的突變株，研究團隊已經讓「葉」明珠（蛋白核）逐漸在高等植物中成形。未來若能找到更多與蛋白核相關的基因，就可以讓蛋白核出現在陸生高等植物的葉綠體內；希望到時候我們可以做出具有更高光合作用效率的農作物，讓糧食問題得到解決！
參考文獻：
[1] An Y, Wang D, Du J, Wang X, Xiao J. Pyrenoid: Organelle with efficient CO2-Concentrating mechanism in algae. J Plant Physiol. 2023 Aug;287:154044. doi: 10.1016/j.jplph.2023.154044. Epub 2023 Jun 25. PMID: 37392525.
[2] Hennacy, J.H., Atkinson, N., Kayser-Browne, A. et al. SAGA1 and MITH1 produce matrix-traversing membranes in the CO2-fixing pyrenoid. Nat. Plants (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01847-0
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