C4 光合作用代表植物在演化史上的一次重大生理革新，其出現使植物能在高溫、強光與乾旱等環境中維持高效率的碳固定與水分利用。

相較於祖先型的 C3 光合作用，C4 植物透過將碳固定過程空間分工於葉肉細胞 (mesophyll) 與維管束鞘細胞 (bundle sheath) 間，有效提升CO2 固定效率達約 50%，並顯著降低光呼吸造成的能量損耗。儘管 C4 光合作用在超過 60 條獨立的演化支系中出現，其形成過程的分子基礎仍未完全釐清。特別是，維管束鞘細胞如何在演化過程中獲得新的光合作用活性，其轉錄與調控網路的起源與變化，一直是植物演化生理學核心問題。此篇研究旨在從基因調控層面探討 C4 光合作用是否藉由祖先細胞身分程式的「外適應 (exaptation) 」而得以建立。

細胞身分重編程的演化問題 > 多細胞植物體中不同細胞型的功能分化，根植於轉錄層級的基因表現程式。然而，C4 植物中葉肉與維管束鞘兩類細胞的代謝角色分化，涉及整套光合作用基因的細胞專一性調控。以往研究僅鑑定出少數可調控 C4 特異基因表現的 cis- 調控元件，但整體如何形成細胞型間的轉錄分化仍屬未知。若演化並非依賴新基因的誕生，而是重新利用既有調控網路，那麼 C4 光合作用的起源可能是一種基因調控層面的「再利用工程」。因此，此篇研究的主要動機是探討：C4 植物的維管束鞘細胞是否藉由重新部署祖先 C3 植物的調控密碼，重建出新的光合作用基因網路？這樣的假設不僅關乎 C4 光合作用的演化，也揭示細胞身分程式可塑性的分子基礎。

跨物種單核層級的基因調控解析 > 為驗證上述假設，研究團隊選擇以 C3 模式植物水稻 (Oryza sativa) 與 C4 模式植物高粱 (Sorghum bicolor) 為比較系統。兩者同屬單子葉植物，約於 8,100 萬年前自共同祖先分化，具代表性與可比性。研究者於幼苗由黑暗轉入光照的光形態發生階段，蒐集葉片細胞核，利用單核RNA 定序(single-nucleus RNA-seq，sci-RNA-seq3) 與轉座酶可及染色質的定序分析 (assay for transposase-accessible chromatin with sequencing，ATAC-seq) 建構跨物種的基因表現與染色質圖譜。分析重點聚焦於調控細胞身分的轉錄因子家族 - DOF（DNA binding with one finger），以鑑定其結合序列（cis-elements）如何界定維管束鞘的基因調控範圍。藉由比較兩物種之間的調控結構與基因表現差異，研究團隊得以解析 C4 光合作用基因的細胞特異性表現是否源於祖先 cis 元件的再利用。

祖先調控網絡的功能再利用 > 比較分析結果顯示，儘管水稻與高粱在光合作用途徑上存在顯著差異，但其維管束鞘細胞的轉錄結構與調控基序具有高度保守性。C4 高粱中負責光合作用的基因，普遍新增或強化了與 DOF 轉錄因子結合的 cis 元件，而這些元件的序列與位置與 C3 植物中維管束鞘專一性調控元件相似。此結果支持一項簡潔模型：C4 光合作用的演化，主要透過獲取並重新利用祖先細胞身分相關的 cis 調控程式來實現，而非憑藉全新基因或轉錄因子網絡的出現。換言之，C4 植物藉由「重接」既有調控電路，使維管束鞘細胞中的穩定轉錄模式得以驅動光合作用基因的高表達，從而形成功能上的新分化。

C4 光合作用的演化機制與應用前景 > 此研究提出了 C4 光合作用演化的新模型：該機制是建立於對祖先調控網絡的「外適應」（exaptation）之上。維管束鞘細胞原有的身分程式，透過新增的 cis 元件被重新導向至光合作用基因群，構成 C4 植物高效碳固定系統的分子基礎。此一發現不僅闡明了多條獨立演化支系中 C4 光合作用反覆出現的可行性，也揭示了基因調控層面的演化靈活性。更重要的是，該研究提供了改良 C3 作物（如水稻與小麥）光合作用效率的潛在策略：若能人工導入或模擬這些關鍵 cis 元件與轉錄調控關係，或可推動未來作物在碳固定與資源利用效率上的突破。

細胞核層級分選在研究細胞型特異性轉錄網絡中的關鍵性與理論意義  > 在多細胞植物中，不同細胞型的功能差異往往源自於核內轉錄調控網絡的重構，而非基因組序列本身的差異。傳統的整葉或整組織轉錄分析，因混雜多種細胞來源，往往掩蓋了細胞型間細緻的表現層級差異。細胞核層級的分選（nuclei-level sorting）因此成為突破此限制的關鍵技術：它能在保留染色質與轉錄複合體完整性的同時，精確區分具有特定功能與身分的細胞群。對於如維管束鞘與葉肉細胞這類在光合作用中分工明確的細胞型而言，此層級的解析尤為重要，因為 C₄ 光合作用的出現，正是基於細胞命運程式的重新配置與古老基因網絡的外適應（exaptation）。藉由分選純化的細胞核進行單核轉錄組定序，研究者得以在分子尺度上追蹤這些細胞型如何建立專屬的基因表現模式，進而揭示驅動 C₄ 光合作用演化的細胞型調控機制。

Citation: 

Swift, Joseph, et al. "Exaptation of ancestral cell-identity networks enables C4 photosynthesis." Nature 636.8041 (2024): 143-150.