細胞主記憶體在許多胞器，相互協調工作完成生命活動。植物細胞透過葉綠體、過氧化酶體、粒線體這三種胞器在光合作用的同時完成光呼吸。早前科學家就觀察到過氧化酶體、粒線體與葉綠體出現物理可用能性接觸的情況，提示了其與光呼吸的關聯性。但是細胞内的胞器形態和位置關係實際上是如何對光做出反應，如何進行變化的，此前還不清楚。
圖1 使用陣列斷層成像法透過電子顯微鏡影像三維重建的擬南芥葉肉細胞（供圖：理化學研究所）
理研環境資源科學研究中心特別研究員綠川景子（現任宇都宮大學生物科學教育研究中心特任助教）、客座主管研究員兒玉豐（宇都宮大學生物科學教育研究中心教授）、科研組長沼田圭司（京都大學研究生院工學研究科教授）等人組成的研究團隊，利用電子顯微鏡影像和三維影像重建技術，高解析度再現了擬南芥葉肉細胞的三維影像。此外，該研究還首次定量地揭示了光照後的細胞（明處理組）以及未進行光照的細胞（暗處理組）内胞器的形態、胞器間接觸面積的不同。相關研究刊發在《PNAS Nexus》電子版上。
研究團隊使用場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）的陣列斷層成像法，可在保持高解析度的情況下，進行寬度視野的觀察。透過使用該方法，研究團隊成功重建了一個完整的擬南芥葉肉細胞三維影像。
圖2 三維重建的擬南芥葉肉細胞（供圖：理化學研究所）
研究團隊以構建的三維影像爲物件，對明處理組和暗處理組三個胞器的體積、球形度進行了比較。結果發現，明處理組中含有大量大體積的過氧化酶體。另一方面，兩組間粒線體的體積無差異，但明處理組中粒線體呈高球形度，說明形態更簡單的粒線體較多。
研究團隊還分析了葉綠體、過氧化酶體、粒線體的接觸頻率（接觸部位的數量）和接觸面積。接觸部位的檢測和接觸面積由影像分析軟體Imaris提供的演算法確定。比較暗處理組和明處理組的接觸頻率、每個細胞的總接觸面積及每次接觸的面積後，發現雖然明處理組的接觸頻率稍多，但更值得注意的是，每次接觸的面積在明顯增大。上述結果表明，相較於增加胞器間新的接觸部位，細胞的感光會更多地促使已有接觸部位擴張。
在受到光照的細胞内，光呼吸伴隨光合作用變得活躍。此次發現的過氧化酶體和粒線體的形態變化，葉綠體、過氧化酶體、粒線體接觸區域的擴張，可以認爲是有利於促進光呼吸效率的提升。
不僅是光線明暗的環境下，今後如果能掌握各種壓力環境下的植物胞器詳細情況，則可期待開發出定量評價細胞内代謝效率的方法。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：PNAS Nexus
論文：Three-dimensional nanoscale analysis of light-dependent organelle changes in Arabidopsis mesophyll cells
DOI：10.1093/pnasnexus/pgac225
