细胞内存在许多细胞器，相互协调工作完成生命活动。植物细胞通过叶绿体、过氧化物酶体、线粒体这三种细胞器在光合作用的同时完成光呼吸。早前科学家就观察到过氧化物酶体、线粒体与叶绿体出现物理性接触的情况，提示了其与光呼吸的关联性。但是细胞内的细胞器形态和位置关系实际上是如何对光做出反应，如何进行变化的，此前还不清楚。
图1 使用阵列断层成像法通过电子显微镜图像三维重建的拟南芥叶肉细胞（供图：理化学研究所）
理研环境资源科学研究中心特别研究员绿川景子（现任宇都宫大学生物科学教育研究中心特任助教）、客座主管研究员儿玉丰（宇都宫大学生物科学教育研究中心教授）、科研组长沼田圭司（京都大学研究生院工学研究科教授）等人组成的研究团队，利用电子显微镜图像和三维图像重建技术，高分辨率再现了拟南芥叶肉细胞的三维图像。此外，该研究还首次定量地揭示了光照后的细胞（明处理组）以及未进行光照的细胞（暗处理组）内细胞器的形态、细胞器间接触面积的不同。相关研究刊发在《PNAS Nexus》电子版上。
研究团队使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）的阵列断层成像法，可在保持高分辨率的情况下，进行宽视野的观察。通过使用该方法，研究团队成功重建了一个完整的拟南芥叶肉细胞三维图像。
图2 三维重建的拟南芥叶肉细胞（供图：理化学研究所）
研究团队以构建的三维图像为对象，对明处理组和暗处理组三个细胞器的体积、球形度进行了比较。结果发现，明处理组中含有大量大体积的过氧化物酶体。另一方面，两组间线粒体的体积无差异，但明处理组中线粒体呈高球形度，说明形态更简单的线粒体较多。
研究团队还分析了叶绿体、过氧化物酶体、线粒体的接触频率（接触部位的数量）和接触面积。接触部位的检测和接触面积由图像分析软件Imaris提供的算法确定。比较暗处理组和明处理组的接触频率、每个细胞的总接触面积及每次接触的面积后，发现虽然明处理组的接触频率稍多，但更值得注意的是，每次接触的面积在明显增大。上述结果表明，相较于增加细胞器间新的接触部位，细胞的感光会更多地促使已有接触部位扩张。
在受到光照的细胞内，光呼吸伴随光合作用变得活跃。此次发现的过氧化物酶体和线粒体的形态变化，叶绿体、过氧化物酶体、线粒体接触区域的扩张，可以认为是有利于促进光呼吸效率的提升。
不仅是光线明暗的环境下，今后如果能掌握各种压力环境下的植物细胞器详细情况，则可期待开发出定量评价细胞内代谢效率的方法。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：PNAS Nexus
论文：Three-dimensional nanoscale analysis of light-dependent organelle changes in Arabidopsis mesophyll cells
DOI：10.1093/pnasnexus/pgac225
