在植物演化史上，有個默默進行了幾十億年的大搬家工程──葉綠體和粒線體裡的基因，陸續轉移到細胞核裡，這個過程叫做內共生基因轉移（Endosymbiotic Gene Transfer, EGT）。雖然我們已經知道這件事發生了很久、很久、很久，也看到許多核基因帶有葉綠體或粒線體的痕跡，但一個問題始終沒有明確答案：這些基因是怎麼進去的？又為什麼有時候轉移得多，有時候轉移得少？
德國普朗克分子植物生理研究所的研究團隊，針對這個問題做了一項突破性的研究，發表於《Nature Plants》。他們發現：細胞裡修復雙股DNA斷裂（DSB）的能力，會強烈抑制葉綠體基因的核轉移。這個發現，不只揭開EGT調控的分子機制，也呼應了早先在農桿菌基因轉殖實驗中觀察到的現象：DNA斷裂，是一扇讓外來DNA進入核基因體的大門。
研究團隊使用菸草（Nicotiana tabacum）為模式植物，並設計了特殊的葉綠體報導基因系統。他們在葉綠體基因組中插入一段只能在細胞核中表現的抗生素抗性基因（nptII）。因為這段基因只有在從葉綠體轉移並整合到核基因體後，才能讓植物在含有kanamycin的培養基中生長，所以他們可以透過觀察獲得抗生素抗性的植物比例，得知到底進行了多少EGT。接著，他們利用CRISPR-Cas9技術，破壞植物細胞中負責DNA雙股斷裂修復（DSB repair, DSBR）的兩條主要路徑：
1. 非同源尾端結合（NHEJ），由LIG4基因負責。
2. 微同源介導結合（TMEJ/MMEJ），由POLQ基因負責。
他們發現了什麼呢？
首先，不論是LIG4突變株還是POLQ突變株，葉綠體基因轉移到核基因體的頻率都大幅上升，最多可達20倍。這個發現意味著，一旦DNA斷裂點無法迅速修復，外來DNA就會有更多時間和空間把自己給插進去。
更有趣的是，雖然雄配子（花粉）中EGT原本就比較頻繁（因為在花粉形成時，需要排除絕大部分的胞器），但是在突變株中，EGT頻率更是飆升，特別是缺乏POLQ的解旋酶（helicase）功能時，EGT機率提升20倍。
研究團隊觀察發現，EGT頻率會隨時間呈現線性上升；代表只要DNA斷裂還在，orgDNA就有可能插進去。
讀者看到這裡可能會想：為什麼葉綠體DNA會出現在細胞核？不是應該要好好的待在葉綠體裡面嗎？
葉綠體DNA必須先「逃出」葉綠體，才有機會進入細胞核。葉綠體DNA怎麼「逃出去」葉綠體，可能有以下幾種原因：
細胞老化或葉片凋亡：葉綠體會被分解，DNA逸出。
環境逆境（如熱、乾旱、病害）：會產生自由基破壞葉綠體膜。
花粉發育過程：胞器會被重整或排除，產生破裂風險。
病毒感染或人工處理（如基因轉殖、電擊）：會造成葉綠體損傷。
這些因素讓葉綠體DNA有機會進入細胞質，若剛好細胞核基因有雙股DNA斷裂，葉綠體DNA就有機會插入核基因體。
值得注意的是，早期農桿菌T-DNA轉殖研究就發現，當細胞核基因中有雙股DNA斷裂時，農桿菌的T-DNA就會更更容易整合。事實上，過去的研究也發現POLQ也被證實參與T-DNA整合的修復機制，當缺少POLQ時，轉殖的效率降低80%。。
也就是說，無論是外來T-DNA還是自身的胞器DNA，只要核基因體上有「傷口」，就有機會插入。
插入葉綠體DNA會不會造成突變呢？研究團隊認為，如果細胞修復雙股DNA斷裂的能力被削弱，葉綠體DNA就有可能會大量插入，這樣的現象當然有可能會造成基因體不穩定、打斷原本的核基因，成為一種內生性突變原。
所以，研究團隊發現：細胞的DNA修復機制，不只是守護基因體穩定的防衛軍，也可能是不小心「開門放人」的守衛。
當修復變慢、壞掉或在壓力下過載，就可能讓葉綠體DNA大舉插入核基因體。這不僅會改變基因體大小與組成，還可能在演化尺度上形塑植物的多樣性與突變來源。
此外，這也提醒我們：
在進行植物基因工程或評估轉殖安全時，應該重視細胞DNA修復機制的角色。
如果能精確操控DNA斷裂與修復，未來也許能提升基因轉殖效率、甚至模擬演化事件也未可知。
總而言之，植物細胞的DNA修復機制，是EGT能否成功的關鍵決策者。研究團隊不只破解了葉綠體基因轉移的分子機制，也連結了演化、生物技術與基因體穩定性的三大主題。
在這場葉綠體基因的搬家任務中，雙股DNA斷裂與修復機制，扮演著搬家公司與門神的雙重角色，而我們正慢慢理解這場看不見的基因大遷徙是如何運作的。
參考文獻：
Gonzalez-Duran, E., Kroop, X., Schadach, A. et al. Suppression of plastid-to-nucleus gene transfer by DNA double-strand break repair. Nat. Plants (2025). https://doi.org/10.1038/s41477-025-02005-w
