【生物奧妙】或許有一天我們真可以自己進行光合作用!

斑點鈍口螈。圖片來源:wiki
斑點鈍口螈。圖片來源:wiki

撰文|葉綠舒

動物能行光合作用嗎?有一種蠑螈,稱為斑點鈍口螈(Ambystoma maculatum),在胚胎時期是辦得到的!斑點鈍口螈的胚胎與Oophila amblystomatis這種單細胞藻類共生,使牠的胚胎看起來像綠色的水晶球。

而且,Oophila與蠑螈之間構成了一個和樂的小社會:與Oophila共生的細胞,將他們的粒線體安排在Oophila的旁邊,盡情地利用Oophila產生的氧氣;而蠑螈胚胎細胞呼吸作用產生的廢物,馬上就被一旁的Oophila拿來進行光合作用。

還有其它的動物嗎?有的。在過去,就已發現另一種可以行光合作用的動物。這種動物叫做綠葉海天牛(Elysia chlorotica)。

在1970年代,綠葉海天牛早就被發現可以進行光合作用了;不過,當科學家們嘗試著鑑定部分海天牛的序列時,並未找到任何來自葉綠體的基因;因此,在過去一直認為,綠葉海天牛只是將葉綠體保存在自己體內,讓葉綠體與自己的體細胞共生(稱為kleptoplasty);就像斑點鈍口螈與Oophila一樣。

綠葉海天牛(Elysia chlorotica)。圖片來源:wiki
綠葉海天牛(Elysia chlorotica)。圖片來源:wiki

不過,斑點鈍口螈與Oophila只有在胚胎時期共生,而且是整個藻類細胞與蠑螈的胚胎;而綠葉海天牛則好像讓藻類的葉綠體在自己的細胞內生存的久了點...多久呢?根據過去的觀察,這些葉綠體可以在綠葉海天牛體內活九個月,甚至連在原來的藻類(Vaucheria litorea)細胞中都沒有活那麼久。

因此,研究團隊決定要再次看看,究竟綠葉海天牛是不是單純的與藻類的葉綠體共生呢?這次,他們用了FISH(fluorescent in situ hybridization)這個技術,以螢光標記發現了:藻類的prk基因果然存在於綠葉海天牛的幼體與成體中!

prk基因是什麼呢?它的全名是phosphoribulokinase,負責卡爾文循環(Calvin cycle,光合作用的第二個部分)的最後一個反應:

ATP + D-ribulose 5-phosphate ←→ ADP + D-ribulose 1,5-bisphosphate

D-ribulose 1,5-bisphosphate是帶有兩個磷酸根的五碳糖,它是卡爾文循環的最終產物,也是起始的原料(所以才叫做卡爾文「循環」);若沒有這個反應,卡爾文循環無法圓滿,光合作用便無法繼續。因此,它對光合作用非常重要。

這個基因,原本是位於藻類的染色體上,但研究團隊發現它出現在綠葉海天牛的成體與幼體的染色體上。這可是難得發現的真核生物間的基因平行轉移(horizontal transfer)呢!

所以,綠葉海天牛並不僅僅將藻類(牠的食物)的葉綠體留在自己的細胞中共生,而是將藻類的部分基因據為己有;於是當葉綠體進入細胞後,便可以安心地在體內安居樂業起來囉!

過去,我們常在課堂上討論:動物到底要如何裝備自己,才能進行光合作用呢?葉綠體當然不可或缺,但是否還有其它的「設備」需要取得呢?從綠葉海天牛的例子可以看到,如果我們把prk基因植入體內,接著只要能克服免疫排斥的問題,人類進行光合作用的那一天,或許離我們不遠囉!

參考文獻:
1. Ryan Kerney, Eunsoo Kim, Roger P. Hangarter, Aaron A. Heiss, Cory D. Bishop, and Brian K. Hall. 2011. Intracellular invasion of green algae in a salamander host. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108(16):6497–6502, doi: 10.1073/pnas.1018259108
2. Julie A. Schwartz, Nicholas E. Curtis and Sidney K. Pierce. 2014. FISH Labeling Reveals a Horizontally Transferred Algal (Vaucheria litorea) Nuclear Gene on a Sea Slug (Elysia chlorotica) Chromosome. The Biological Bulltin.227(3):300-312.
3. 2015/2/3. Sea slug has taken genes from algae it eats, allowing it to photosynthesize like a plant. Science Daily.

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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