老葉的植物王國

  圖片來源： Cell 植物在生長的時候，除了要努力獲取光源，也要扎根在土壤裡吸取水分與養分。因此，除了要能感應光以外，植物也要能找到土地來扎根。所以不只是幫助植物獲取光源的趨光性（phototropism）很重要，能夠讓植物找到土地的趨地性（gravitropism）也非常重要。植物的莖需要有負趨地性，才能往遠離地面的方向生長；而植物的根一定要有正趨地性，才能深深地扎根在土壤中。 在1900年，植物學家G.Haberlandt和E.Nemee提出了「澱粉-平衡石假說」（starch-statolith hypothesis），認為在植物的根冠與頂芽有一些所謂的「平衡石細胞」（statocyte）內含有澱粉體（amyloplast），是這些澱粉體落在植物細胞的近地端，從而啟動了植物對重力的反應。而澱粉體會造成植物根尖與頂芽的生長素（auxin）分佈不均，使得植物向地生長（即所謂Cholodny-Went 理論）。 後續的一些研究也發現，當澱粉體產生受阻的時候，植物的趨地反應會變慢；而澱粉體若沈澱速度加快，則植物的趨地反應會變快。 最近的研究發現，一群稱做「懶惰」（LAZY）的基因與植物的趨地性有關。這些基因在1930年代首先從玉米中發現，因為莖總是躺在地上，所以被命名為「懶惰」。科學家發現，重力的刺激會使得一類的蛋白質激酶（protein kinase）MKK5-MPK3將LAZY蛋白磷酸化，然後這個磷酸化的LAZY蛋白藉由與TOC蛋白互動，聚集在澱粉體的表面上。 接著LAZY蛋白會轉移到附近的內質網上，這使得生長素的分佈開始出現不均勻的狀況，然後植物就開始出現趨地反應。 這個發現，進一步證明了「澱粉-平衡石假說」，也支持了「Cholodny-Went 理論」。 參考文獻： Chen J, Yu R, Li N, Deng Z, Zhang X, Zhao Y, Qu C, Yuan Y, Pan Z, Zhou Y, Li K, Wang J, Chen Z, Wang X, Wang X, He SN, Dong J, Deng XW, Chen H. Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants. Cell. 2023 Sep 20:S0092-

  圖片來源：Nature 生物面對瞬息萬變的環境，必須要能夠適時地改變基因的表現，才能讓自己的物種持續生存下去。 最近杜克大學（Duke University）的研究團隊發現，阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）的基因體會在受到病害攻擊時，從表現同一條DNA上游的基因轉到下游的基因。 到底是怎麼達成的呢？原來這段DNA上面有兩個啟動密碼（AUG），在上游的啟動密碼不遠處，有一段序列會折疊形成髮夾狀的二級結構（hairpin）。這個髮夾會讓在信息RNA上掃描啟動密碼的核糖體（ribosome）掃描的動作慢下來，於是就讀到第一個啟動密碼，製造蛋白質。 當病害入侵植物時，植物會合成一個解旋酶（helicase），把髮夾打開；這使得核糖體能夠快速掃描這段RNA，於是就錯過第一個起始密碼，從第二個起始密碼開始轉譯，生成負責抵抗病害的蛋白質了。 因為研究團隊正在申請專利，所以到底這兩個基因是誰跟誰，版主看不到，請大家諒解。 參考文獻： Yezi Xiang, Wenze Huang, Lianmei Tan, Tianyuan Chen, Yang He, Patrick S. Irving, Kevin M. Weeks, Qiangfeng Cliff Zhang, Xinnian Dong. Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection. Nature, 2023; 621 (7978): 423 DOI: 10.1038/s41586-023-06500-y

  圓葉菸草。圖片來源：維基百科 今年年初，一篇關於植物會「叫」的文章引起了許多人的注意，但是有沒有可能與植物交談呢？ 最近的一篇研究，或許提供了這個可能性。只是，他們不是用「講」的，是用不同顏色的光來給植物信號。 這件事情說來容易做來難，最主要的原因是因為植物是光和自營生物，光的強弱與光的顏色對植物來說本來就很要緊，所以植物都有內建一群光受器（photoreceptor），對各種不同顏色的光線進行反應：如感應紅光與紅外光的光敏素（phytochrome）、感應藍光與紫外光的隱花色素（cryptochrome）、感應藍光的向光素（phototropin）以及感應短波紫外光的UVR8。 這群英國的科學家們，為了要繞過這些已經存在的植物光感應系統，找了美國加州大學戴維斯分校的Clark Lagarias老師合作。 Lagarias老師建議用原生生物的CcaS-CcaR系統，這個系統是「紅燈停，綠燈行」，由於高等植物並不需要綠光，也不感應綠光，所以這樣就可以不啟動植物原有光感應系統，達成與植物交談的目的了。 有趣的是，在把這個新系統植物圓葉菸草後，卻發現藍光居然也可以關閉這個系統！進一步分析後發現，原來CcaS這個基因含有與向光素有相似性的序列，而他們的實驗無意中啟動了這部份。 他們把這個新系統稱為Highlighter系統。這個系統可被白光、綠光啟動，無光的時候也有活性，藍光則可以把它關閉。奇妙的是，紅光竟然也可以啟動它。不管怎麼說，科學家們已經啟動了與植物「談談」的第一步，接下來就要繼續努力，看看能不能直接告訴植物更多信息，而植物也都能成功收到了。 參考文獻： Bo Larsen, Roberto Hofmann, Ines S. Camacho, Richard W. Clarke, J Clark Lagarias, Alex R. Jones, Alexander M. Jones. Highlighter: An optogenetic system for high-resolution gene expression control in plants. PLOS Biology, 2023; 21 (9): e3002303 DOI: 10.1371/journal.pbio.3002303