自噬作用（autophagy）協助種子保鮮

 

種子發芽情形。
圖片來源：PNAS

植物產生種子以後，因為種子成熟時的環境不一定就適合發芽，所以種子幾乎都會進入休眠。即使如阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）這等小草，也會有一段短短的休眠期。

如果一直等下去，都沒有遇到適當的時機呢？這時候種子裡面的蛋白質就會逐漸氧化、胚乳細胞也會出現損傷，一旦這些物質累積到一定程度時，就算提供種子適當的環境條件，種子也無法發芽了。這時候，我們就會說這些種子「死」了。

會不會有一個機制，能延緩種子的「衰老」，讓種子慢點「死」呢？有科學家認為應該是有的，但是，會是哪些基因呢？

科學家想，一個可能的候選人就是自噬作用（autophagy）的基因。過去的研究已知，自噬作用可以延緩衰老；所以如果要找能夠延緩種子「衰老」的基因，應該就是它了。

於是研究團隊挑選了兩個與自噬作用相關的基因，ATG2與ATG5。ATG2主要參與自噬體膜的擴張和形成。它與ATG18一起工作，協助轉移脂質到自噬體膜上，從而促進自噬體的成熟和擴展。ATG2在自噬過程中的膜動態調控中起著關鍵作用，尤其是在自噬體的初始階段。

而ATG5是一種參與另一個複雜的自噬關鍵步驟的蛋白質。它與ATG12結合，並進一步與ATG16L形成一個複合體。這個ATG12-ATG5-ATG16L複合體有助於促進另一種蛋白質ATG8a的脂質化，這是自噬體膜擴張和封閉的一個關鍵步驟。ATG8a的脂質化對於自噬體的成熟和目標物的選擇性降解至關重要。

首先，研究團隊觀察少了ATG2或ATG5的突變株的種子，在長時間儲存後發芽率是否會下降。結果發現，雖然儲存30個月（兩年半）的突變株發芽率與野生種相當，但當這些種子被儲存達到66個月（五年半）時，atg突變株種子的發芽率不到20%，而WT種子的發芽率超過60%。這意味著，缺少ATG2或ATG5，的確會讓種子無法儲存很久。

接著研究團隊觀察氧化蛋白質的含量。在長期儲存（66個月）後，自噬功能缺陷的突變體（atg2-1 和 atg5-1）種子中，氧化蛋白質的累積量顯著高於野生型（WT）種子，atg2-1 種子中氧化蛋白的累積量比野生型高出1.67倍，而atg5-1 種子中氧化蛋白的累積量則高出2.00倍。這個結果意味著，在缺乏自噬功能的情況下，種子在長期儲存過程中更容易累積氧化損傷，這可能對其發芽能力造成負面影響。

種子「老」了可能也意味著代謝速率會變慢。於是研究團隊觀察種子的氧氣消耗量。與新鮮種子做比較，研究團隊發現，老化的atg5-1突變體種子的氧氣消耗速率比新鮮種子降低了59.9 nmol/h，而野生型（WT）種子的氧氣消耗速率只降低了28.9 nmol/h。這個結果顯示，缺乏自噬功能的老化種子在生物活性和代謝能力上受到了更嚴重的影響，這可能與其降低的發芽能力有關。 氧氣消耗速率下降，會不會意味著種子裡面部分的細胞已經死了呢？於是研究團隊用碘化丙錠（Propidium Iodide，簡稱Pi）來染種子。Pi只能染死細胞的DNA並發出紅色螢光，是很方便的測試。

研究結果顯示，在長期儲存的atg突變體種子中，胚乳細胞死亡的比例顯著高於野生型種子，這意味著自噬功能對於維持種子胚乳細胞的活力和抑制細胞死亡在長期儲存過程中具有重要作用。

最後，研究團隊還看了與胚乳細胞壁降解和重塑相關的基因的表現量。他們發現在老化的atg5-1突變體種子中，與胚乳細胞壁降解和重塑相關的兩個基因——ENDO-β-MANNANASE 7（MAN7）和EXPANSIN 2（EXP2）的表現量顯著降低。其中MAN7的表現量在老化的atg5-1種子中僅為野生型的8.15%，而EXP2在老化的atg5-1種子中未被檢測到（N.D.），但是在野生種種子中，不論是新鮮還是老化的種子，EXP2的表現量都可以測到，且兩者相當，並沒有顯著變化。

透過這項研究，研究團隊發現了植物如何透過自噬作用來保持種子的生命力，也為我們提供了潛在的策略，幫助改善農作物種子的儲存和保存，特別是在面臨氣候變化和食物安全挑戰的當下，這樣的研究成果對於全球糧食供應具有重要意義。

參考文獻：

Shinozaki D, Takayama E, Kawakami N, Yoshimoto K. Autophagy maintains endosperm quality during seed storage to preserve germination ability in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Apr 2;121(14):e2321612121. doi: 10.1073/pnas.2321612121.