植物細胞吃自己的……膜和油滴

所有植物都有液泡嗎

這些影象使用布魯克海文實驗室功能奈米材料中心的共聚焦顯微鏡拍攝，顯示植物細胞液泡（紅色標記的膜）內的脂滴（綠色）。植物一直處於黑暗狀態，正在“吃”自己的脂滴，在沒有陽光/光合作用的情況下為細胞提供能量。

圖片來源：布魯克海文國家實驗室

美國能源部布魯克海文國家實驗室的生物化學家發現了自噬或自食的兩種控制植物細胞中油脂含量的方法。該研究發表在2019年4月29日的植物細胞中，描述了這種自相殘殺的過程實際上如何幫助植物生存。它還提供了科學家可能利用的機械細節，以使植物積累更多的石油。

植物通常在其種子中儲存油，因此數量有限。研究領導的布魯克海文生物化學家徐長誠解釋說，在植物組織中儲存更多的油 - 葉子，莖和根 - 會使植物更有用作能源作物。例如，可以提取豐富的植物油並用作生物柴油燃料來執行汽車。或者富含石油的生物質 - 比典型的由碳水化合物製成的植物物質包裝更多的能量 - 可以被燃燒以發電，加熱建築物和其他能源應用。

“如果你想增加石油積累，你需要知道石油是如何合成的，並瞭解植物組織中石油的穩定性，”徐說。“我們的研究表明，自噬在油脂平衡中起著兩個主要作用：首先，它對脂質液滴的生物合成很重要，脂質液滴是植物和其他組織中儲存油的形式。它還可以在植物中分解這些液滴。需要用油來產生能量。“

細胞規模回收

吃一份自己可能聽起來像一個奇怪的生存策略。但請考慮這個過程是普遍的。它發生在哺乳動物細胞，酵母和植物的正常生長期間，並且已被證明可透過諸如飢餓等應激事件大量誘導。

“但是，不是手臂或腿，分支或莖的總消耗量，自噬更多是細胞規模的再迴圈形式，”徐說。

“所有細胞都需要一種擺脫不需要的材料的方法，”他解釋道。這些可能包括入侵的病原體，有毒廢物，甚至是舊的和受損的“細胞器”，這些微小的器官，如線粒體和葉綠體，可以作為活細胞的基本工作。細胞通常將其垃圾遞送到自給自足的回收室：酵母和植物細胞中的“液泡”，或哺乳動物中的“溶酶體”。在內部，強大的酶過於有害，無法在細胞內自由漂浮，可以分解廢物，釋放出生化成分，可以重新用於製造新的細胞結構或為細胞提供能量。

徐的研究表明，透過這種正常的自噬迴圈過程釋放出來的一些生物化學構件是構成油滴的脂肪酸。

布魯克海文團隊使用他們已經修改過的植物將油脂儲存在葉子中。為了追蹤油的來源，他們從這些植物中餵養了用放射性碳標記的脂肪酸前體細胞。這種放射性“標籤”使他們能夠追蹤標記分子隨時間的變化。

他們發現標記的脂肪酸沒有直接摻入脂滴中。相反，它們首先成為細胞各種膜的一部分。

“脂質是細胞膜的主要成分，包括圍繞每個細胞器的膜，”徐說。“我們的研究表明，自噬將帶有富含脂質的膜的舊細胞器輸送到要降解的液泡中，然後從膜中釋放的標記脂肪酸最終會儲存在脂滴中。”

這些生物化學遺傳學研究的另一個步驟證實，食用舊膜對於積累儲存的油很重要：關閉自噬所需的基因可使脂滴的積累減少70％。

解決植物問題，也許還有我們的能源需求

一旦他們知道自噬在油脂生物合成中發揮了重要作用，科學家們還想探索它們是否能誘導酵母和哺乳動物細胞在飢餓時食用脂滴的自噬。為了讓他們的植物餓死，科學家把它們放在黑暗中。沒有陽光，就沒有光合作用來提供能量。

在這部分研究中，科學家使用兩種熒游標記來標記脂滴（綠色）和液泡周圍的膜（紅色）。他們使用共聚焦顯微鏡跟蹤了布魯克海文實驗室的功能奈米材料中心，這是DOE科學使用者設施辦公室。

“這些影象清楚地顯示了整個脂滴滲透的空泡，”徐說。在液泡內部，酶通常會分解脂滴以釋放脂肪酸以獲取能量，但科學家阻止了這種降解，因此他們可以在液滴消失之前捕獲影象。

“我們想捕獲吞嚥，但不能消化，”徐說。

他們再次測試了當他們阻斷自噬基因時發生的事情。

“液泡不能吃掉液滴，因此它們會積聚在細胞質中，”徐說。

將未被消化的油滴留在細胞質中可能對在黑暗中捱餓的植物不利，但它可能提示一種方法可以讓生物能源作物積累更多的油。

“有很多細節可以發現這個過程是如何發生的，”徐說。“但如果我們能夠發現所涉及的訊號，我們就可以操縱這個過程，讓植物製造和儲存更多的脂肪酸，這是生物柴油的主要成分。這些知識也可以用來使油滴更穩定，或者更能抵抗壓力的植物。這是一個全新的研究領域！“

（來源：能源部/布魯克海文國家實驗室）