跳到主要內容

植物嫁接新發現:跨越物種的神奇PAT1基因

 

挪威杉。圖片來源:維基百科

嫁接(grafing)這種技術已經有大約兩千年的歷史,但是到底成功的關鍵是什麼,過去只知道同科的植物嫁接成活率高,但其中的機制並不是很明瞭。

2020年的研究發現了一個β-1,4-葡聚醣酶對嫁接成活很重要。2021年更進一步成功地完成了單子葉植物的嫁接。最近發表在《自然植物》(Nature Plants)上的研究,發現了一個跨物種的重要因子PAT1。

在這篇研究中,研究團隊開發了一種「微嫁接」(micrografting)的技術。微嫁接通常涉及到非常小的植物組織或幼嫩的植物部分,比如種子苗的頂端或年輕的枝條。由於涉及的組織非常細小,這種技術要求高度精確的操作,通常需要在顯微鏡下進行。

聽起來感覺對農民不大友善,但是根據研究團隊,微嫁接可用於不同種類的植物,包括那些傳統嫁接方法難以操作的品種。而且嫁接部位的癒合更快,成活率也相對較高,特別是在使用年輕組織進行嫁接時更是如此。

研究團隊以挪威杉為實驗材料,透過對嫁接前後挪威杉的RNA定序,研究者分析了嫁接過程中基因表達的差異。他們鑑定了在嫁接過程中活化的基因,特別是與維管束發育和細胞分裂相關的基因。他們還進行了外源激素處理實驗,分析了這些激素對基因表達的影響,特別是與細胞壁相關的基因。

為了進一步探索嫁接過程中的轉錄調控,研究者鑑定了差異表達的轉錄因子,並進行了加權相關網絡分析(WGCNA),來找到在嫁接過程中活化的關鍵轉錄因子。結果他們發現了PAT1基因家族,並且在阿拉伯芥中進行了高度表達和突變株分析,以探索這些基因在嫁接癒合過程中的功能。

研究團隊在進行松柏科植物間的微嫁接後,觀察到不同物種間嫁接(稱為異種嫁接)和相同物種間嫁接(稱為同種嫁接)的高存活率。這些存活率根據基因型不同而變化,介於70%至100%之間。

將嫁接的植物移至土壤中進行長期觀察後,同種嫁接的植物存活率仍然很高(90%至100%),但異種嫁接的組合,特別是不同屬之間的嫁接組合,顯示出較低的存活率。例如,挪威杉嫁接到瑞典松和北美黑松的存活率分別只有3.6%和1.8%,但當挪威杉用作砧木時,與瑞典松或北美黑松的接穗組合的存活率分別提高到19.6%和30.1%。

儘管某些異種嫁接組合的植株在嫁接接合部位出現膨大,且生長高度有所不同,但一般而論,成功嫁接的植物都生長良好。此外,某些嫁接組合的植物在外觀上與未嫁接的植物相似。

嫁接過程中活化的主要基因包括與生長素和細胞壁相關的基因、與細胞分裂和維管束發育相關的基因以及PAT1基因家族。與生長素和細胞壁相關的基因有漆酶(laccase)、果膠甲基酯酶(pectin methyl esterase)、β-1,4-葡聚糖酶(beta-1-4-glucanase,這在2020年的研究中也被發現)和果膠裂解酶(pectate/pectin lyase)等;與細胞分裂和維管束發育相關的基因包括了幹細胞分裂和分化相關的基因,這對於嫁接接合部的癒合和維管束的重新連接非常重要;PAT1基因家族(PHYTOCHROME A SIGNAL TRANSDUCTION 1PAT1) 基因則是這篇論文的最大發現,研究團隊發現PAT1在挪威杉和阿拉伯芥的嫁接過程中擔任核心調節作用,且這個基因家族在嫁接過程中的上調是共同的。

在挪威杉的嫁接過程中,研究團隊發現生長素和細胞分裂素反應的基因被激活。他們對2週大的挪威杉幼苗進行了外源生長素(IAA)和細胞分裂素(BAP)處理,隨後進行RNA定序分析。他們發現數千個基因對這些激素有反應,其中生長素誘導的基因數量略多於細胞分裂素誘導的基因。

在這些對外源激素有反應的基因中,研究團隊發現許多與細胞壁相關的基因,如漆酶、果膠甲基酯酶、β-1,4-葡聚糖酶和果膠裂解酶,在外源生長素處理和嫁接後都表現出差異性表達。特別是,生長素處理和嫁接過程中漆酶和果膠甲基酯酶的表達有顯著的重疊。

在嫁接過程中活化了一些特定的轉錄因子。研究團隊透過加權相關網絡分析(WGCNA)對這些轉錄因子進行了分析,發現在嫁接組織中特別是接穗和砧木中,而非未嫁接植物中的一些轉錄因子表現出差異性。這些轉錄因子的活化反映了嫁接過程中的複雜分子調控。這些轉錄因子包括PaPAT1-likePaWIP4-likePaMYB4-likePaLRP1-likePaMYB123-like。其中PaPAT1-like基因在挪威杉和阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)的嫁接過程中都被強烈上調。

當研究團隊以阿拉伯芥進行PAT1基因的高度表達和缺失突變實驗時,發現PAT1高度表達(AtPAT1OE)的阿拉伯芥在葉柄的傷口處表現出增加的癒傷組織(callus)形成,而pat1及其相關突變體(如pat1pat1scl5pat1scl5scl21)則在癒傷組織形成方面顯示出顯著的損害,嫁接附著率也顯著地降低。使用CFDA介質的韌皮部再連接試驗表明,PAT1過表達(PAT1OE)的系列在韌皮部再連接方面沒有顯著變化,但PAT1相關的單、雙和三重突變體在韌皮部再連接方面顯示出從中等到強烈的抑制。

研究團隊還選殖了挪威杉中的PaPAT1-like基因,並在阿拉伯芥中進行了高度表達實驗。發現PaPAT1-like高度表達(PaPAT1-likeOE)的阿拉伯芥在切割的葉柄處表現出增加的癒傷組織面積。

總而言之,這項研究為植物嫁接的分子機制提供了更多寶貴的見解,特別是PAT1基因家族的作用。它還為林業和園藝提供了實際應用,增強了我們在植物嫁接方面的理解和能力。

參考文獻:

Feng, M., Zhang, A., Nguyen, V. et al. A conserved graft formation process in Norway spruce and Arabidopsis identifies the PAT gene family as central regulators of wound healing. Nat. Plants (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01568-w

留言

這個網誌中的熱門文章

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 。

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.

光合作用(photosynthesis)釋放氧氣,氧氣來自於水

  圖片來源: 維基百科 說真的,我雖然有時候也會寫一些「老」發現,但是像這樣幾乎每一本生物教科書與植物生理學教科書都會提到的事情,我還真的沒有想過要寫。 事情是這樣開始的。 2024年的6月1日下午,我收到記者的信息,內容如下: 今天北市教甄題目出現「植物行光合作用釋放出氧,氧來自何者?選項有A二氧化碳、B水、C葡萄糖、D空氣中的氧。」但答案是A的爭議,想請問現在能就這個題目跟您進行簡短採訪釋疑嗎? 我一看之下大驚失色,答案怎麼會是A呢?當然是B。 但是,說話要有證據,於是我就去查了幾本書,再加上網友的協助,最後得到的答案如下: 在1931年時,當C. B. van Niel(1897-1985)觀察光合細菌(包括紫硫菌與綠硫菌)時,因為這兩種細菌利用硫化氫(H 2 S)與二氧化碳為原料,產生元素硫,所以他就提出「光合作用的氧氣來自於水」的假說。  他的假說,在1941年,由Ruben等人以同位素氧18標定的水或二氧化碳確認,光合作用放出來的氧氣是來自於水。 答案是B才對啊! 所以我就發了一篇短文說明。 沒想到,後來看到的新聞竟然是: 圖片取自顏聖紘老師臉書 只能說真的蠻失望的。然後我點進去看了一下幾個新聞,老師堅持不改,這讓我覺得很失望;但更好笑的是,教育局說他們「尊重專業」,所以老師說不改就不改。 什麼時候,「尊重專業」可以這樣用了?難道Ruben等人的實驗就可以不算? 於是我就去挖出了Ruben等人的論文。 Ruben等人 (1941) 使用氧的同位素 (O 18 ) 作為追蹤劑,探討了光合作用中氧氣的來源。他們把綠藻 (Chlorella) 懸浮在含有重氧水 (H 2 O 18 ) 和一般碳酸氫鉀 (KHCO 3 ) 的溶液中。實驗結果顯示,釋放出的氧氣中的 O 18 /O 16 比例與水中的比例相同。 另外,當藻類在含有O 18 標記的二氧化碳 (CO 2 ) 和一般的水 (H 2 O) 中進行光合作用時,釋放出的氧氣中並沒有檢測到O 18 。 所以,實驗結果顯示:氧氣來自於水,而不是二氧化碳。 我其實很好奇,北市教甄出題的老師不改答案的理由是什麼?難道他自己做實驗發現氧氣來自於二氧化碳嗎?如果這樣,那可真的是諾貝爾等級的發現,應該趕快聯絡Nature或Science來發表啊!為什麼只有在教甄的答案上發表呢? 如果是弄錯了,那改一...