跳到主要內容

改變D1蛋白的表現方式可以造出耐熱高產的植物

藍綠菌的光系統II。圖片來源:維基百科
光合作用(photosynthesis)是植物所有生物化學反應的中心,它可分為「光反應」(light reaction)與「卡爾文循環」(Calvin cycle)兩部分。

其中的光反應,是由許多蛋白質與色素分子所構成的接力賽:光能由光系統II(photosystem II)或光系統II的天線「捕光複合體II」(LHCII,light harvesting complex II)進入,被光系統II的「反應中心」(reaction center)接收後,反應中心的兩個葉綠素a(chlorophyll a)「丟」出一顆電子給主要電子接受者(primary electron acceptor, pheophytin),開啟了光反應的電子傳遞鏈。

失去了一個電子的葉綠素a,會馬上從光系統II的D1蛋白取得一個電子,讓自己恢復原來的狀態,以準備下一回合的電子傳遞。少了一個電子的D1蛋白,則會由與光系統II緊密連結的產氧複合體(OEC,oxygen evolving complex)取得電子。產氧複合體會等到累積四個正電荷以後,便一次氧化兩個分子的水以取得四個電子,並產生氫離子與氧氣。

因此,光系統II的D1蛋白不斷地失去電子(氧化)、得到電子(還原),造成它每過大約三十分鐘就要換一個新的。D1蛋白也對溫度敏感。由於光系統II不能沒有D1蛋白,這使得D1蛋白成為光系統II能否有效率地執行功能的速率限制分子。

如果能夠改變D1蛋白,讓它耐熱或者讓它的表現量上升,是否能讓光合作用變得更有效率呢?這個想法應該有不少人曾有過,但卡在一個難處:D1蛋白的基因位於葉綠體內(psbA)。要「弄」葉綠體不是一件容易的事!

中國科學院的研究團隊想到:是否可以在細胞核裡面表現D1蛋白,來取代葉綠體的版本呢?他們不只是這麼想了,也這麼做了。由於原來的D1蛋白並不需要被「送」到葉綠體裡面,為了要讓細胞核表現的D1蛋白可以進入葉綠體,研究團隊把D1蛋白基因加上一小段「葉綠體的郵遞區號」,而且他們還把這個改造過的D1蛋白基因連結在一個熱反應啟動子的後面,如此一來當溫度上升時,位於細胞核裡面的psbA基因表現量就會提高。

出乎他們意料之外的是,轉殖植物除了因D1蛋白表現量增加出現產量上升的作用外,它們還特別耐熱。研究團隊測試了擬南芥(Arabidopsis thaliana)、稻米、煙草,發現轉殖擬南芥在攝氏41度下可以存活八個半小時(控制組在同樣的條件下幾乎死光了)。轉殖水稻在2017年上海曾出現攝氏36度的高溫十八天的狀況下,產量比控制組多了將近一成(8-10%)。

更棒的是,在正常溫度下這些轉殖植物的產量也比控制組要多得多。煙草的產量多了快五成(48%),水稻的產量多兩成。

這樣多產又耐熱的植物,正是未來對抗全球暖化的利器。未來如能將這個技術進一步測試於其他農作物上,應該可以幫助更多人!

參考文獻:

Nuclear-encoded synthesis of the D1 subunit of photosystem II increases photosynthetic efficiency and crop yield. Nature Plants

留言

這個網誌中的熱門文章

怎麼辦到的?變形藤(Boquila trifoliolata)模仿塑膠植物

  左:原來的葉片。右:模仿的葉片。圖片來源: 期刊 之前我們提到過一種奇妙的植物「變形藤」( Boquila trifoliolata ),它原產於南美洲智利中、南部與阿根廷。在2014年就被發現它 為了減少自己被吃 ,發展出奇妙的變形能力:爬到誰身上就長得像誰。 後來在2021年 發現 ,它不只是形狀學得像,連人家身上一大半的細菌都搬過來了。這就奇妙了。 為什麼「變形藤」能夠學得這麼像呢?是寄主植物釋放了揮發性化合物?還是寄主植物跟它進行了基因的交換?還是它真的能「看」? 研究團隊這次用了塑膠植物給它模仿。塑膠植物沒有基因、也不會釋放揮發性化合物,這樣就可以排除前兩個因素了。 結果「變形藤」還是學得維妙維肖,而且,一個月以後,它還學得更像。 難道它真的會「看」嗎?只能說這棵藤本植物真是太奇妙了。 參考文獻: White J, Yamashita F. Boquila trifoliolata mimics leaves of an artificial plastic host plant. Plant Signal Behav. 2022 Dec 31;17(1):1977530. doi: 10.1080/15592324.2021.1977530. Epub 2021 Sep 21. PMID: 34545774; PMCID: PMC8903786.

植物界的變色龍Boquila trifoliolata如何模仿?

  圖片來源: 維基百科 信不信植物界也有變色龍?原產於南美洲智利中、南部與阿根廷的藤本植物 Boquila trifoliolata 在攀爬到其他樹上時,葉片的形狀會從原本的長鈍橢圓形三出複葉改變為宿主植物的形狀;甚至當它從一種植物攀爬到另一種植物時,葉片的型態也會跟著改變。 過去的研究發現, Boquila trifoliolata 之所以做這樣的改變,可能是因為 可以讓它避免被吃 。但是到底「變色龍藤」是怎麼「看」到它攀爬上去的植物長什麼樣子呢? 最近發表在Scientific Report上的研究發現,「變色龍藤」可能是從「宿主」的菌群(microbiota)得到資料。研究團隊收集了「變色龍藤」模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)、沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT),以及「宿主」的菌群(RS)。結果發現,沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT)與「宿主」的菌群(RS)之間只有共享了79個獨特的OTU(操作分類單元,可能代表細菌的屬或種),但模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)與「宿主」的菌群(RS)之間卻共享了255個獨特的OTU!更有趣的是,沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT)與模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)間也只共享了33個OTU。 這個結果顯示了,「變色龍藤」能模仿「宿主」的型態,與它們之間共享的菌群高度相關。但是究竟「變色龍藤」是如何從這些菌群得到資料?這就有待進一步的研究了。 參考文獻: Gianoli, E., González-Teuber, M., Vilo, C. et al. Endophytic bacterial communities are associated with leaf mimicry in the vine Boquila trifoliolata. Sci Rep 11, 22673 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-02229-8

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯( Ipomoea batatas )從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎? 圖片來源: 農委會 上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔! 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢! 至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉! 最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔! 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔! 參考文獻: 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。