不同的植物如何「感覺」光與溫度？──番茄與阿拉伯芥

番茄。圖片取自維基百科

你有沒有想過，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？例如，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（phytochromes） 和光敏素交互因子（PIFs）。這篇文章將帶你了解，番茄（Solanum lycopersicum） 如何透過這些機制適應環境，並且為什麼它和常見的研究模式植物阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana） 會有不同的反應方式。

這個過程的關鍵調節因子是一群稱為「光敏素交互因子」的基因（PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORS, PIFs），它們負責傳遞「光線變暗了，快長高！」的訊號。

從過去的研究已經知道，在阿拉伯芥中，PIF7 是負責避蔭反應的主要基因，當植物感受到低 R/FR 光時，PIF7 會活化生長素（auxin） 和其他與細胞增長有關的基因，使莖伸長。然而，最近的研究發現，從陰影遮蔽反應上來說， PIF7 在番茄的角色非常弱，真正負責避蔭反應的其實是 PIF8a（SlPIF8a）！ 這意味著，不同植物演化出了不同的適應機制，即使它們使用類似的基因家族（PIFs）。

研究團隊利用基因編輯技術（CRISPR-Cas9），讓番茄的 PIF8a 基因失去功能，結果發現這些突變植株在低 R/FR 條件下無法正常拉長莖，證明了 PIF8a 在番茄避蔭反應中的核心作用。

另一個有趣的發現是，阿拉伯芥的 PIF4 在高溫時會讓植物變長，但番茄的 PIF4 卻沒有這樣的效果！ 這點令人驚訝，因為阿拉伯芥的 PIF4 和 PIF7 在高溫時會啟動「高溫形態適應反應（thermomorphogenesis）」，讓植物長得更高、更瘦，以增加散熱效果。但當研究人員對番茄的 PIF4 進行基因突變，卻發現這些番茄在高溫下生長得跟野生種番茄沒什麼兩樣。

這表示，番茄不像阿拉伯芥那樣透過 PIF4 來適應高溫，可能有其他尚未發現的機制負責這項功能。但需要注意的是，在番茄幼苗的高溫反應中，PIF4 仍然有影響，只是當植株稍微成熟後，它的作用就不明顯了。

為什麼番茄和阿拉伯芥的 PIF 作用不同？研究團隊認為，這兩種植物的不同適應機制，可能來自於它們的原生環境。

阿拉伯芥來自溫帶地區，季節變化明顯，需要對光照與溫度快速調節生長方式。但是番茄原產於南美洲的溫暖地區，本來就習慣較高的氣溫，可能不需要像阿拉伯芥那樣透過 PIF4 來應對高溫。

這表示，不同物種即使擁有類似的基因，也可能演化出不同的功能，這就是基因的適應性演化（adaptive evolution）。

這項研究不只是讓我們更了解植物如何適應環境變化，對農業來說，也可能帶來實際應用。我們可以透過基因編輯改變 PIF8a的調控，來改變番茄的生長模式，使其適應不同的光環境，改善密植栽培效率。另外，了解 PIF4 在高溫反應中的影響，有助於培育能夠適應極端氣候的番茄品種，提升農作物的產量與抗逆性。

隨著全球氣候變遷，如何讓農作物適應環境變化變得越來越重要。透過這類研究，科學家可以找到方法，讓植物更有效地利用光線與溫度，進一步提高農業生產力。

總而言之，PIFs 是植物用來感知光與溫度變化的重要調控因子，但它們的功能在不同物種間可能有所不同。這個研究發現，番茄的PIF8a 是主要的避蔭反應調節者，而不是像阿拉伯芥那樣由 PIF7 負責；另外番茄的 PIF4 並不像阿拉伯芥的 PIF4 那樣在高溫時促進生長，顯示番茄可能有其他高溫適應機制。這些發現對農業育種具有重要意義，可用於改善作物的光適應性和耐熱性。

參考文獻：

Kunta, S., Dahan, Y., Torgeman, S., Chory, J., & Burko, Y. (2025). Species-specific PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR utilization in the plant morphogenetic response to environmental stimuli. The Plant Cell.