在黑暗中的植物如何調動所有的資源用來找光？

在黑暗中生長的植物，是怎樣的一種型態呢？

科學家總是喜歡命名，所以給在黑暗中生長的植物所發生的型態變化，取了一個名詞「暗型態發生」（skotomorphogenesis）。如果不清楚經歷「暗型態發生」的植物長得什麼樣子，大可以想一下豆芽菜：短短的根、細細長長的莖，黃色且緊閉的子葉。

綠豆芽。圖片來源：維基百科

因為植物是光合自營生物，所以在無光的時候，植物首要任務是找到光。為了要把所有的能量都用來追尋光的存在，植物的莖會長得又細又長，根變得極短。可以這麼想像：在黑暗中萌發的植物，就像是一個人伸長了手想要找到亟需的資源...

所有的這些動作，當然都需要基因的調控；過去有許多研究，陸續發現了對「暗型態發生」很重要的基因，但是，就像很多重要的生物機制一樣，「暗型態發生」也受到許多基因的調控，過去找到的也不見得就是全部。

當然，主要調控「暗型態發生」的基因，大多是光受器（photoreceptors），尤其是光敏素（PHY，phytochrome）。但是，最近的研究發現，隱花色素2（CRY2，cryptochrome 2）對於「暗型態發生」也很重要。

先說結論：在黑暗中，CRY2會抑制植物的根的延長，而這個抑制作用，是透過與其他基因互動達成的。

為什麼研究團隊會想到要研究CRY2對植物根的作用呢？

一開始，他們注意到，在黑暗中生長的cry2突變株主根比較長。另外，他們還注意到，cry2突變株的側根也更多、更長。

所以，他們懷疑CRY2對黑暗中生長的植物的根有影響。由於隱花色素的祖先蛋白質「光裂解酶」（photolyase）在黑暗中也是有功能的；而哺乳動物的隱花色素在黑暗中也還是有功能。而且，在搜尋了網路之後，他們發現過去的確有研究發現CRY2在無藍光狀況下，對基因的表現也有影響。

於是，他們決定要來看看，CRY2是否在黑暗中也有功能。

透過轉錄體分析比較野生種（WT）與 cry2 突變株在黑暗中生長的幼苗，研究團隊發現有 1,534 個基因的表現量存在著差異。這些有差異的基因牽涉到光合作用、細胞壁組織、代謝過程和 DNA 複製等等。

這麼多個基因，有些可能是間接受到影響的；要如何找到直接與CRY2互動的基因呢？研究團隊決定以「酵母菌雙雜交」來進行測試。

為了要找到「只有」在黑暗中會跟CRY2互動的基因，研究團隊同時使用野生種 CRY2 和 CRY2D387A 作為誘餌。

CRY2D387A 的第387號胺基酸因為發生突變，從天冬胺酸（D）被替換成丙胺酸（A）。這個位置位於CRY2的「光酶同源區域」（PHR domain），影響了CRY2與FAD的結合，造成CRY2無法感光、永遠保持單體。然後，他們把將篩選到的候選蛋白在不同光照條件下進行測試。

他們篩選到60 個可能的相互作用蛋白，其中 8 個是 FL1，12 個是 FL3；這意味著這兩個蛋白與CRY2的相互作用應該是具有特異性的。當他們把FL1與FL3和另一個突變體CRY2W374A（持續被光活化的形式）進行測試時，他們發現只有單體形式的CRY2（D387A）能與FL1/FL3結合，進一步證明了這兩個蛋白質與CRY2的互動，的確是有特殊意義的。

接著他們以不同光照測試CRY2與FL1/FL3的互動。他們發現，FL1/FL3 與 CRY2 的相互作用在藍光下被抑制。

這是一個出乎意料的發現，因為已知的 CRY2 與其他蛋白質的相互作用通常是被藍光促進。

那麼，FL1/FL3有什麼功能呢？

研究團隊發現，fl1 和 fl3 單突變體沒有明顯的性狀，但是fl1 fl3 雙突變體開始出現根部生長缺陷。而阿拉伯芥總共有9個FL，其中關係比較近的是FKD1、FL1、FL2與FL3。於是研究團隊做了四重突變株（flΔ4），也就是少了FKD1、FL1、FL2與FL3的植物。果然不出所料，flΔ4表現出更強的性狀。

於是，研究團隊進一步比較了野生種（WT）與 flΔ4 突變株在黑暗中的轉錄體。他們發現總共有1,343 個差異表現基因，而這些基因主要集中在 DNA 複製和細胞分裂等相關功能。

另外，當研究團隊將 cry2 和 flΔ4 的差異表現基因進行比較時，他們發現了 285 個基因有重疊。其中120 個基因被 CRY2 抑制但被 FLs 促進，而另外有136 個基因被 CRY2 促進但被 FLs 抑制。這些發現意味著， CRY2 和 FLs 在大多數生物過程中是互相拮抗的。事實上，研究團隊發現， cry2 突變株在黑暗中具有更多的分生細胞數量和更高的細胞分裂活性；對照FL基因們主要對DNA複製與細胞分裂的基因產生影響，這些結果意味著，透過研究CRY2與其他基因在黑暗之下的互動，研究團隊發現CRY2透過與FL基因們的互動，來調節根的生長。藍光會抑制CRY2與FL基因們的互動，讓根部能夠正常生長發育；而無光的時候CRY2與FL基因們的互動，讓根部的生長受到抑制，好把更多的資源轉給地上部分，讓地上部分可以長得更長，早點找到光源。

雖然這並不是第一個在黑暗中有活性的光受器被發現，不過透過研究CRY2在黑暗中的功能，我們對於植物的「暗型態發生」中的分子事件，有了更進一步的瞭解，也瞭解了CRY2過去不為人所知的一面！

參考文獻：

Zeng, D., Lv, J., Li, X., & Liu, H. (2025). The Arabidopsis blue-light photoreceptor CRY2 is active in darkness to inhibit root growth. Cell, 188(1), 1-17. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.031