老葉的植物王國

  突變種（左）與野生種（右）的玉米根部。 圖片來源： Nature Genetics 玉米（ Zea mays ）是世界五大穀物之一。從現在的時間點回頭看，很難想像在十六世紀以前，全世界只有一小群人知道這種植物。但是現在玉米可說是無所不在，不只是早餐的穀片以及日常的食物會有它，它還以你看不到的型態出現在各種食物與飲料中。所以，玉米對人類非常重要。 隨著氣候變遷，連身為C4植物的玉米，都因為降雨減少而面臨抗旱的問題。最近一項歷時八年的研究，分析了9000個栽培種以及170個大芻草（teosinte）的根系，找到了玉米根部發育的秘密。 科學家們將玉米的種子包裹在特殊的紙裡面，然後將這些紙捲成雪茄狀、放在燒杯內，以 16 小時光照 26 °C、 8小時黑暗18 °C培養。10天後，他們把紙打開，就可以輕鬆地觀察完整的根部。栽培品系的玉米觀察10株，家傳品系玉米觀察20株，大芻草因為種子數量有限，僅觀察15株。 他們發現，玉米的根有所謂的「種生根」（seminal root）與側根（lateral root）的區別。種生根在玉米發芽後不久出現，其功能是幫助玉米幼苗吸收更多養分與水分。當環境適合玉米生長時，種生根對玉米的幫助很大。 但是研究團隊發現，種生根多的玉米，它的側根就會變少；而側根減少對玉米的耐旱性不利。他們注意到，側根多的玉米抗旱性比較好。有趣的是，在玉米馴化的過程中，種生根的數量有增加的趨勢，但是在適應有限水的本地品系中，種生根的數量顯著減少。 到底什麼基因與根系的發育有關呢？研究團隊分析基因體後，找到了超過160個相關基因。其中一個，稱為 ZmHb77 ，對玉米的抗旱性有影響。在所謂的「北方燧石」（Northern Flint ）品系中，特定基因型的 ZmHb77 會讓玉米更不耐旱。深入研究後發現， ZmHb77 在根的表現量也比較高。 到底 ZmHb77 對根部發育的影響是怎樣的呢？研究團隊以基因編輯將 ZmHb77 剔除後發現，沒有這個基因的突變株，其種生根數量顯著減少、側根密度增加。測試發現，這些突變株的生長與光合作用速率較高，抗旱性優於野生種。 所以，透過對根系發育的觀察與基因體的研究，科學家們發現了 ZmHb77 對玉米根系的發育有重要的影響，也影響到玉米抗旱的能力。期待更多的研究讓我們了解玉米根系發育的生物學！ 參考文獻：...

  圖片來源：維基百科 維甲酸（retinoids）是一群結構與維生素A有關的化合物。在動物，維甲酸與細胞的分化、視力、免疫功能、抑癌基因的活化有關；但是動物無法合成維甲酸，必須由植物獲取。 許多植物都會合成維甲酸以及相關的化合物。但是植物合成維甲酸是要做什麼呢？最近的研究發現，維甲酸與植物的側根（lateral roots）形成有關。 植物在主根長出來以後，隔一段時間就會長出一條側根。已知側根在哪裡長出、何時長出，都受到調節，被稱為「側根鐘」（lateral root clock）。 為了要測試植物中是否也存在著與維甲酸結合的蛋白質，研究團隊使用了MCA（merocyanine aldehyde）。MCA的一端具有Cyanine-5 (Cy5)結構，另一頭則是類似於維甲酸的構造。當MCA與維甲酸結合蛋白結合時，Cy5這一邊就會放出螢光。 當研究團隊把阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）的根以10 μM的MCA處理後，在根部仍在發育的區域出現了一些螢光點；另外根尖生長點與還在分裂的細胞也出現了螢光。進一步的研究發現，這些螢光點不但與未來側根出現的地方重疊，且在側根生長點出現前五小時就可以看到螢光，顯示了維甲酸可能真的與側根的生長有關。 當研究團隊使用了抑制類胡蘿蔔素合成的化合物來處理植物根部時，由於維甲酸合成也經由同一途徑，於是螢光就大大地減少，側根的生長也受到了抑制，進一步顯示了維甲酸信號對側根合成的重要性。當研究團隊提供外來的維甲酸時，螢光再度出現，側根的生長頻率也回復了。 到底是植物的什麼蛋白質與維甲酸結合呢？研究團隊搜尋基因資料庫後發現，有個稱為 TIL (AT5G58070)的基因，其序列與脊椎動物的lipocalin（維甲酸結合蛋白的一種）有相似性。進一步的分析發現， TIL 出現的地方與側根出現的地方有重疊，表示 TIL 可能就是植物的維甲酸結合蛋白。在植物體外測試也顯示 TIL 的確可以與維甲酸結合。 缺少 TIL 的突變株，其側根的發育大大地減少，以MCA處理 TIL 突變株也看到螢光變得很弱，顯示了 TIL 的確就是透過與維甲酸結合來調節植物側根的生長。以維甲酸來處理缺少 TIL 的突變株，只有非常弱的反應，進一步確認了 TIL 在植物維甲酸信息傳遞上的角色。 所以，研究團隊發現了維甲酸對植物生長發育的角色，也找到了植...