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植物也有血紅素(hemoglobulin)?

大家都知道動物有血紅素,負責幫我們攜帶氧氣到全身各處。 但是植物有血紅素嗎?植物要血紅素做什麼?

照理說,植物應該不需要什麼蛋白質幫他們攜帶氧氣並運送到全身各處,畢竟光合作用本身已經讓植物細胞充滿氧氣了。

但是很有意思的是,植物真的有血紅素,雖然沒有紅血球。雖然我們一般認為血紅素的功能是攜帶氧氣,但科學家研究的結果認為,血紅素最早的功能應該是偵測氧氣的存在,而不是攜帶氧氣(1)。

在植物裡總共有三種血紅素,第一種稱為「共生血紅素」(symbiotic,sHbs),主要分佈在豆科植物裡面,提供共生的根瘤菌以及根瘤內的植物細胞生存所需的氧氣。因為固氮作用(nitrogen fixation)是厭氧的反應,在有氧氣的存在下,根瘤菌內的固氮酵素(nitrogenase)會很快失去活性,因此在根瘤中必需維持在微氧(microaerobic)的狀態下:只能有一點點氧氣來提供根瘤菌與根瘤內的植物細胞生存,但是不能太高造成固氮酵素失去活性。因此,豆科植物中都有「共生血紅素」的存在。

第二種稱為「非共生血紅素」(non-symbiotic,nsHbs),分佈得非常廣泛,依照序列的分析、在植物中表現的狀況以及與氧氣結合的特性分為兩大類。單子葉植物多半沒有第二類的非共生血紅素(nsHb2),但是會有至少一個第一類非共生血紅素(nsHb1);而雙子葉植物通常會具備兩類,不過在豆科植物(以及部分雙子葉植物)中已經演化為共生血紅素了。

第三種稱為「片段血紅素」(truncated, trHbs)。

非共生血紅素到底有什麼功能呢?目前的研究結果認為,第一類可能與缺氧有關,在缺氧時用來改進植物的能量狀態;第二類則與粒線體細胞呼吸作用有關,在粒線體進行細胞呼吸作用時可以改進他的氧氣供應狀態(2)。

最近,瑞典的隆德大學(Lund University)的研究團隊,在甜菜(sugar beet,Beta vulgaris ssp. vulgaris)裡面找到了四個血紅素的基因,其中三個是非共生血紅素,第四個是片段血紅素。三個非共生血紅素裡面有兩個屬於第一類,一個屬於第二類。其中第二類的非共生血紅素(BvHb2)的表現量最高,而且在不同的部位裡表現量都很大(種子除外)。

甜菜根的橫切面。圖片來源:wiki

表現量有多大呢?一公頃的甜菜,可以萃取出一至兩公噸的血紅素;而隆德大學的研究團隊說,甜菜的血紅素跟人的血紅素非常相像,因此,他們希望能讓甜菜的血紅素做為輸血時的緊急備品(3)。畢竟,遇到重大車禍或是如伊波拉這類的疾病時,能否提供大量血液,常常是決定生與死的重要因素;尤其是在血庫不普遍,或是捐血的觀念尚未深入人心的區域,血源不足是常有的問題,如果能夠提供甜菜的血紅素做為緊急的備品,應該可以救活許多人命。

在歐洲,甜菜主要用於製糖;如果甜菜的血紅素真的可以用於人體做為輸血的備品,那麼以後在甜菜中萃取糖的過程中,也可以順便萃取甜菜血紅素。

想當初,甜菜之所以被發現,是在拿破崙戰爭時期,因為英國皇家海軍阻擋了由西印度群島來的運糖船,使得拿破崙注意到馬格列夫(Andreas Sigismond Marggraf)對甜菜等根莖類植物的研究(4)。馬格列夫由甜菜根中萃取了蔗糖,不過甜菜糖正式量產要到1801年,那時候馬格列夫已經不在人世了。

馬格列夫。圖片來源:wiki
雖然手邊的資料無法確定,究竟當時馬格列夫是為了什麼去研究萃取甜菜糖的方法(後來他的學生改良他的方法,使甜菜糖能在1801年開始量產),但如果他知道,當初那長在地上看來不起眼的植物的根,除了提供我們蔗糖以外,未來可能還能提供血紅素做為輸血的備品,他應該會覺得很欣慰吧!

(台大科教中心擁有此文版權,其他單位需經同意始可轉載。)

參考文獻:

1. Serge N. Vinogradov and Luc Moens. 2008. Diversity of Globin Function: Enzymatic, Transport, Storage, and Sensing. The Journal of Biological Chemistry, 283, 8773-8777.

2. Nélida Leiva-Eriksson, Pierre A. Pin, Thomas Kraft, Juliane C. Dohm, André E. Minoche, Heinz Himmelbauer and Leif Bülow. 2014. Differential Expression Patterns of Non-Symbiotic Hemoglobins in Sugar Beet (Beta vulgaris ssp. vulgaris). Plant Cell Physiol 55 (4): 834-844.

3. Lund University. Sugar beets could become blood substitute.

4. Henry Hobhouse. Seeds of Change. Six plants that transformed mankind. Counterpoint.

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