中大新聞中心
中大揭示植物在高溫壓力下「吞噬」粒線體碎片的斷尾求生法則
香港中文大學（中大）生命科學學院莊小紅教授領導的研究團隊發現植物細胞在高溫下會選擇性地分解其粒線體的碎片結構，揭示了全球氣溫上升的環境下植物如何適應的新機制。研究成果已發表於頂尖綜合性跨學科科學期刊《美國國家科學院院刊》。
全球暖化對農作物產量和糧食安全構成嚴重威脅。植物細胞在適應暖化時會啟動自噬作用，是一種「自我吞噬」的過程，用以回收受損的細胞組分。粒線體是植物細胞中的「發電廠」，為植物提供主要的能量來源。然而，受損的粒線體可能對植物細胞有害，若未及時清除，有可能會導致細胞死亡。近年的研究指出，粒線體自噬對維持粒線體健康十分重要。然而，植物細胞在高溫壓力下如何執行這一過程仍然未知。
細胞的「飲食選擇」
在一般的粒線體自噬模型中，一個杯狀的前體膜結構（也稱為吞噬泡或隔離膜）會沿著粒線體生長，並彎曲形成一個球形的雙層膜結構，稱為自噬體。在這項研究中，研究團隊揭示了植物自噬粒線體碎片的關鍵分子，並說明了粒線體動態如何促進這個選擇性分解過程。
與哺乳動物常見的網狀粒線體不同，植物的粒線體通常是分離的。過往的研究曾觀察到整個粒線體全面降解的過程，研究團隊進而發現，在高溫壓力下，植物粒線體會重塑為異常膨脹或呈網狀的形態（圖1）。研究團隊結合生物化學、細胞和先進影像技術，建立了全新的自噬體碎片組裝模型，與粒線體分裂過程緊密相關，用以解釋植物粒線體碎片自噬的機制（圖2）。當暴露於高溫時，粒線體會透過類似細胞分裂的過程改變其形狀和大小，有助於分離及清除受損部分。
破解線粒體自噬中粒線體裂變謎團
透過對植物線粒體裂變過程中的關鍵分子複合物研究（圖3），研究團隊證實，植物特有的粒線體裂變因子ELM1若功能失常，會顯著延遲粒線體碎片自噬，並導致被多個吞噬體前體隔離的巨線粒體累積。這些關鍵因子的突變會抑製粒線體蛋白質降解，從而降低植物對高溫的耐受性。
莊教授表示：「我們的研究首次描述植物分段粒線體碎片自噬。對於粒線體自噬是否需要粒線體裂變，一直以來都有熱烈討論。植物粒線體在細胞中具有其獨特的分布特徵，但它們也必須重組及重塑膜結構，以協助細胞在變化多端且充滿壓力的環境中生存。我們推測，除了粒線體外，其他細胞結構的更新也可能受到分段自噬的調控。我們非常期待未來能進一步探索相關的分子機制。」
這些發現突顯了粒線體裂變機制在熱誘導線粒體碎片自噬中的關鍵作用，為未來深入探索粒線體自噬體的生物合成機制以及植物的抗逆性提供了寶貴的見解。此外，針對其分子機制的進一步研究，有望為氣候變化對農作物生產的影響提供新的解決方向。
粒線體裂變突變體在高溫壓力下植物細胞中粒線體異常膨脹的動力學分析。
3D 電子斷層掃描顯示自噬吞噬泡（白色結構）包裹從粒線體本體分離出去的腫脹部位（藍色結構）。
植物分段粒線體自噬相關的重要調控因子的工作模型。
部分研究團隊成員合照 （左起）：博士研究生李朝睿、莊小紅教授、姜秉浩教授及馬俊才博士
