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适应气候变化的能力取决于细胞中自由形成的结构，而迄今为止，这些结构的功能仍然是个谜。

加州大学河滨分校的研究人员首次确定了这些结构如何在分子水平上发挥作用，以及它们形成的地点和方式。《自然通讯》的两篇新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，例如高尔基体、线粒体，以及最重要的细胞核，DNA在细胞核中复制并转录成RNA。

然而，人们对细胞核内可以动态组装和分解的无膜细胞器知之甚少，例如帮助感知植物中的光和温度的光体。

“曾经，人们称这些光体为‘垃圾桶’，因为他们不理解它们。当人们不理解某些东西时，他们称它毫无用处。但它们根本不是无用的，”加州大学河滨分校植物学教授孟说。陈先生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部分挑战是分子不断地进出它们。这使得很难区分细胞器内部和外部组件的功能。此外，这些光体仅在光下形成。

陈花了二十年的时间研究这个问题，然后他的实验室找到了一种有助于解开细胞器功能之谜的方法。

过去，他会去除实验室植物中的一个基因，并尝试观察光体以及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。敲除这个基因使植物部分对光失明。“我们看到这些细胞器参与光传感，但我们意识到这是一种相关性，而不是因果关系，”陈说。

为了了解更多信息，研究人员尝试增大细胞器的大小，而不是消除它们。一篇新论文详细介绍了这一策略，结果证明是成功的。有了更大的细胞器，就有可能看到其功能。

“我们最终看到的是，无膜细胞器帮助植物区分一系列不同的光强度。没有它们，植物将无法‘看到’光强度的变化，”陈说。

在第二篇《自然通讯》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，这些细胞器的数量就会减少。

该小组推测，温度敏感性将取决于细胞器在细胞中形成的位置。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。

“自然界中没有多少东西是完全随机的，”陈说。“在机场，人们会在荒无人烟的地方聚集在一起，还是通常在候机区和航空公司柜台?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，着丝粒是染色体上含有沉默基因的区域。

16度时，细胞内有九种无膜细胞器。在27度时，数量下降到只有五种。尽管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，研究人员希望证明，通过操纵细胞器形成的位置，可以改变植物对光和温度的敏感性。如果人们想在更炎热、更明亮的世界继续种植粮食作物，这一点尤其重要。

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。

“为了预测和缓解气候变化，我们需要了解植物如何感知和应对环境，特别是温度，”陈说。“温度不仅与生长和大小有关。它与一切都有关：开花时间、果实发育、病原体反应和免疫力。”