【生物奧妙】或許有一天我們真可以自己進行光合作用！
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。
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.
--
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。
