為什麼植物知道該什麼時候發芽、伸長，甚至開花？答案藏在它們的「光敏素」裡。
光敏素是什麼？
植物不能移動，但對光卻有極高的敏感度，這是因為它們的一切生命活動都繫於光合作用。為了捕捉陽光，植物不只要長出葉片，還演化出能「看見光」的分子機制，讓自己在複雜的光環境中做出反應。
其中最關鍵的，就是一群稱為「光受器（photoreceptors）」的蛋白質。
而在所有光受器中，光敏素（phytochromes）最為重要，因為：
葉綠素主要吸收紅光與藍光，其中紅光的穿透力強、訊號穩定；而光敏素正是專門感知紅光與遠紅光的光受器，能讓植物在黎明、傍晚或林蔭底層依然察覺光的存在與變化。
光敏素能在兩種狀態之間切換：
- Pr（紅光吸收態）：休眠或低活性狀態
- Pfr（遠紅光吸收態）：活化狀態，能啟動基因表現與發育程序
這樣的轉換讓植物能在適當時機發芽、停止徒長、甚至開花結果，是植物用來「解讀光訊號」的分子開關。
光敏素的家族中，有好幾個成員，其中phyA（光敏素A）是最靈敏的一種，負責偵測極微弱的光訊號，特別是在清晨、深林或遮蔽環境中。
幾乎所有開花植物都擁有 phyA，並且具有以下共同功能：
- 感知遠紅光，協助種子發芽與去白化（de-etiolation）
- 進入細胞核後與轉錄因子 PIF 結合，調控下游基因表現
- 負責「極低光強度反應（VLFR）」與部分「高強度遠紅光反應（HIR）」
但是，與阿拉伯芥（我們的明星模式植物）phyA相比，大豆的 phyA 又不太一樣。
首先，阿拉伯芥的phyA與光週期開花調控關係不大。在阿拉伯芥，這部分主要由 phyB 掌管；但是大豆的phyA卻與光週期開花調控息息相關。也因此，大豆的phyA會抑制FT 等與開花相關的基因。
其次，阿拉伯芥只有一個phyA，但是大豆有好幾個。
有趣的是，阿拉伯芥是長日照植物，而大豆是短日照植物。會不會是因為這樣才讓phyA管理開花的功能呢？會不會所有的短日照植物都這樣呢？
不是的。同樣是短日照的水稻與玉米，並沒有讓phyA來主管這個功能；而同樣是短日照又是雙子葉植物的煙草，則是由phyA與phyB共同掌管這部分。
過去的研究發現，在大豆中，一個名為 E4 的基因實際上就是一個 phyA 類光敏素基因（GmphyA2），負責感知日長並抑制開花。這套「E1–E4 抑制模組」是大豆獨有的演化路徑，讓它能夠精準控制開花時機，適應不同緯度的栽培需求。
這不僅讓大豆在農業上有很高的育種潛力，也讓科學家開始重新思考：phyA 的角色，可能比我們想像的還要多元。
大豆 phyA 的結晶結構：一窺分子如何看見光
2025 年，一個國際研究團隊成功解析了大豆 phyA 的三維結構，不僅在冷凍條件下達到 1.58 Å 的解析度，更首次利用 XFEL（自由電子雷射）在常溫下捕捉到 Pr 與 Pfr 兩種狀態的結構變化。
這些高解析度的影像讓我們第一次直接觀察到，三項特別的結構發現！
首先，在Pfr 狀態下，大豆光敏素A的結合口袋是向外開放的。研究團隊認為，開放的結合口袋能更容易讓 PIF 類轉錄因子結合，有利於訊號傳遞。這是一種與細菌光敏素的「封閉型口袋」截然不同的構型調整方式。
其次，過去已知，在紅光照射時，光敏素的色素分子的碳15-16的雙鍵會發生翻轉，於是旁邊的D-ring 也就跟著翻轉。
但是，D-ring的翻轉有可能是順時針（從平面的下方往上方）、也有可能是逆時針（從平面的上方往下方）。過去在阿拉伯芥 phyB以及細菌 DrBphP看到的都是順時針，那麼大豆的光敏素A呢？
研究團隊看到，大豆的光敏素A在被紅光照射後，發生的是「順時針翻轉」。不要以為這個實驗很容易做，它需要在用紅光照射光敏素之後，在極短的時間內就拍照；而且要重複這個動作許多次（只有時間點不同），才能收集到一系列的照片。
這個超短時間（fs到ps）的快照，不是一般的相機能做的，而是要用XFEL（自由電子雷射）來做；這個設備，全世界沒有幾個地方有。
另外，還需要一大堆可以用來拍照的結晶（照一次就不能用了）...所以這真的是很不容易啊！
最後，他們觀察到，在紅光照射後兩個酪胺酸（Tyr242 與 Tyr269 ）協同旋轉，造成大豆光敏素A的吸收光譜紅移與螢光變化，也為持續活化光敏素（constitutively active phytochrome）突變株（酪胺酸Y→組胺酸H突變）的性狀提出了結構解釋。
這些結構變化不僅是分子層級的轉換，也讓我們對於了解植物如何「把光訊號變成行動」的關鍵環節，提供了更多的解釋。
當我們以為自己已經理解了光敏素的角色時，大豆讓我們看見了它不只是一個感光蛋白，更是一個能整合光與生長訊號的分子開關。它的「不同」，不只是物種上的差異，而是揭示出植物在演化過程中，如何把同一種感光工具轉化為更有趣、更細緻的生理調控機制。
這不只是大豆的故事，也是「植物如何讀懂光」這門語言的下一章。
參考文獻：
Nagano, S., von Stetten, D., Guan, K. et al. Pr and Pfr structures of plant phytochrome A. Nat Commun 16, 5319 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60738-w
