两篇《自然通讯》论文：自由形成的细胞器帮助植物适应气候变化

　　

植物感知光和温度的能力，以及它们适应气候变化的能力，取决于它们细胞中自由形成的结构，而这些结构的功能直到现在都是一个谜。

加州大学河滨分校的研究人员首次确定了这些结构在分子水平上是如何工作的，以及它们在哪里和如何形成的。本周发表的两篇《自然通讯》论文描述了这一信息。

长期以来，科学家们一直在研究植物细胞中被称为细胞器的膜结合区室，比如高尔基体、线粒体，最重要的是研究DNA复制并转录成RNA的细胞核。

然而，对于能够在细胞核内动态组装和拆卸的无膜细胞器，如植物中帮助感知光和温度的光体，人们知之甚少。

“有一段时间，人们称这些照片体为‘垃圾桶’，因为他们不理解它们。当人们不理解某样东西时，他们称之为无用。但它们并非毫无用处，”UCR植物学教授Meng Chen说，他是这两篇论文的资深作者。“它们是科学的新前沿。”

研究光体或无膜细胞器的挑战之一是分子不断地进出光体。这使得很难区分细胞器内部和外部成分的功能。此外，这些光体只在光线下形成。

Chen花了20年的时间研究这个问题，直到他的实验室找到了一种方法，帮助解开了细胞器功能的神秘面纱。

在过去，他会移除实验室植物中的一个基因，并试图观察光体和植物对光或温度反应的任何变化。这种方法取得了部分成功。

他的实验室发现了一种使无膜细胞器无法组装的基因。敲除这种基因会使植物部分失明。“我们看到这些细胞器参与光感应，但我们意识到这是一种相关性，而不是因果关系，”Chen说。

为了了解更多，研究人员试图增加细胞器的大小，而不是消除它们。这一策略在一篇新论文中被证明是成功的。有了更大的细胞器，就有可能看到它的功能。

“我们最终看到的是，无膜细胞器帮助植物区分各种不同的光强度。没有它们，植物就无法‘看到’光强度的变化。”

在《自然通讯》第二篇论文中描述的一组相关实验中，研究人员测试了这些细胞器与温度之间的关系。此前，该小组已经证明，如果温度升高，这些细胞器的数量会减少。

该小组的理论是，温度敏感性将是细胞器在细胞中形成的一个函数。其他研究人员提出，细胞器的形成是随机的，但陈怀疑情况并非如此。

“自然界中没有多少是完全随机的，在机场，人们是在偏僻的地方聚集，还是通常在候机区和航空公司柜台聚集?任何具有重要功能的东西通常都不是随机的。”

事实证明，光体的形成也不是随机的。其中一半以上位于着丝粒附近，这是染色体上隐藏沉默基因的区域。

在16℃时，细胞内有9种无膜细胞器。在27度时，数量下降到只有5种。虽然它们都含有温度感应蛋白光敏色素B，但其中一些细胞器对温度敏感，而另一些则不敏感。

展望未来，研究人员希望通过控制细胞器形成的位置来改变植物对光和温度的敏感性是可能的。如果人们想在一个更热、更亮的世界里继续种植粮食作物，这一点尤为重要。

加州种植了全国一半的水果和蔬菜。但科学家估计，如果不减少温室气体排放，到本世纪末，该州的平均气温可能会上升11度，这将严重影响农作物的生长。

Chen说:“为了预测和缓解气候变化，我们需要了解植物如何感知和响应它们的环境，尤其是温度。”“温度不仅与生长和大小有关。它与一切有关:开花时间、果实发育、病原体反应和免疫力。”