老葉的植物王國

  獨腳金。圖片來源： 維基百科 獨腳金內酯（strigolactone）因為最早在獨腳金屬（ Striga ）的植物中分離出來而得名，它被發現可以促進寄生植物（如獨腳金屬）的萌發，另外也會抑制植物的分枝與分蘗，對共生真菌也相當重要。 最近的研究發現，獨腳金內酯可以讓番茄提早開花！ 研究團隊使用了GR24 5DS 這種化合物來模擬獨腳金內酯的作用。他們發現，GR24 5DS 可以讓番茄提早大約一週開花。 進一步的研究發現，GR24 5DS 可以讓番茄的產量增加；而整個過程是透過調節番茄葉片中的 miR319 和 LANCEOLATE （ LA ）基因表現，進而增加單花序（ SINGLE FLOWER TRUSS , SFT ）基因的轉錄來達成的。 另外，研究團隊也發現，GR24 5DS 會使得植物中具有生物活性的吉貝素（GA）含量上升。 也就是說，又有一個植物賀爾蒙對開花有影響！其實研究植物賀爾蒙算是相當辛苦的工作，因為這些賀爾蒙往往對許多層面都會發生影響，並不是如我們在植物生理學課本中學到的那麼簡單/單一呢！ 參考文獻： PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2316371121

  獨腳金內酯的一般結構。圖片來源： 維基百科 獨腳金內酯（strigolactone）是一種植物賀爾蒙，在植物種子萌發時會分泌，促進土壤中的細菌與植物的根部形成共生關係，對植物的生長發育很重要。但是，如 獨腳金 這類的寄生植物，也會藉由感應獨腳金內酯來讓自己的種子搶在宿主植物之前發芽，以便達成寄生的目的。所以，最好能仔細研究這個賀爾蒙，瞭解它在植物中的角色。 但是要研究獨腳金內酯卻並不容易，因為目前無法以化學合成，只能從自然來源中提取。最近的研究終於開發了合成獨腳金內酯的方法：將合成相關的基因分別轉入酵母菌（ S.cerevisiae ）與大腸桿菌（ E. coli ）中，並將兩種菌混合培養。 其實，研究團隊一開始是打算只使用酵母菌系統的。但是酵母菌雖然會將獨腳金內酯的前驅物carlactone給修飾形成獨腳金內酯，卻無法合成carlactone。 後來，研究團隊嘗試著在大腸桿菌中轉入合成carlactone的酵素基因。結果大腸桿菌可以合成carlactone，但產物的穩定性卻不夠，而且大腸桿菌系統也無法產生後續的酵素來將carlactone修飾以產生獨腳金內酯。 最後研究團隊決定將兩種菌混和培養。神奇的事情發生了！將這兩種菌混和培養，大腸桿菌負責產生carlactone，而酵母菌則將carlactone接過來修飾，產生獨腳金內酯。 雖然目前的產量大約是每公升47微克（microgram），但是因為賀爾蒙通常都只需要極低的濃度就可以產生作用，所以這樣的產量對科學研究來說也就足夠了。 能夠在實驗室中製造獨腳金內酯，就可以進行更多關於它的研究，也更能瞭解這個分子在植物中所扮演的角色。 參考文獻： Sheng Wu, Xiaoqiang Ma, Anqi Zhou, Alex Valenzuela, Kang Zhou, Yanran Li. Establishment of strigolactone-producing bacterium-yeast consortium. Science Advances, 2021; 7 (38) DOI: 10.1126/sciadv.abh4048

  Karrikins。圖片來源：維基百科 karrikins是一群存在於燃燒植物所產生的煙霧中的小分子化合物。過去的研究發現，它們可促進植物種子發芽，這也就是為什麼森林火災後很快會有種子發芽的原因之一。這個系列的化合物有它們自己的受器，在阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）中被命名為 KAI1 與 KAI2 。 獨腳金內酯。圖片來源：維基百科 獨腳金內酯（strigolactones，上圖）由植物的根部在發芽時分泌，用來召喚土壤中的共生真菌（mycorrhiza），以便讓植物一發芽就可以馬上與共生真菌形成緊密的連結。在植物，獨腳金內酯也有它的受器。特別的是，獨腳金（Striga）這種寄生植物也有獨腳金內酯的受器 ShHTL ，讓它可以搶先接受到植物分泌的獨腳金內酯，於是就可以馬上發芽，開始緊貼住植物的根來吸收養分。在非洲，獨腳金的寄生是嚴重的農業問題（請參考「 如何消滅土裡那不受歡迎的客人 」））。 蛋白質序列分析顯示，負責感應karrikins的 KAI2 受器，與獨腳金用來感應獨腳金內酯的 ShHTL 受器，有相似之處。由於這兩種賀爾蒙都屬於小分子賀爾蒙，另外這個 KAI2 受器還能辨認一個跟獨腳金內酯構造有點相似的小分子化合物。這些現象引起了研究團隊的興趣，想看看能不能改造karrikin受器，讓它可以辨認獨腳金內酯。 以人工突變的方式，研究團隊找到了一個 KAI2 受器的突變，它不僅保留了辨認karrikin的能力，還能辨認獨腳金內酯。序列分析顯示，這個突變的受器，只改變了三個胺基酸：153, 157, 190。這三個位置原來的胺基酸序列分別是色胺酸（tryptophan）、苯丙胺酸（phenylalanine）與甘胺酸（glycine）。將這三個胺基酸分別改變為白胺酸（leucine）、蘇胺酸（threonine）與蘇胺酸，所產生的突變版受器可以同時辨認karrikin與獨腳金內酯。 這個研究讓我們知道，只需要改變幾個（三個）胺基酸，就可讓植物的受器對不同的賀爾蒙產生親和力。 參考文獻： Three mutations repurpose a plant karrikin receptor to a strigolactone receptor Amir Arellano-Saab, Michael Bunsick, Hasa...