植物的濕度挑戰：乙烯（ethylene）在調節反應中的角色探索

 

圖片作者：ChatGPT

我在美國9年，後面的幾年住在相對濕度60-70%的加州。習慣了低濕度以後，回台灣的80%-90%相對濕度的環境，我總覺得熱。於是，我在冬天也穿短袖，很快就得了「不怕冷」的名聲。

人可以穿短袖，但是植物可沒辦法穿短袖。在高濕度時，植物會進行一系列的適應性變化，包括改變氣孔導度和角質層透性等等。

最近的研究發現，這些變化可能受到乙烯（ethylene）的調控。研究團隊發現乙烯在高濕度的早期反應中扮演著重要角色，並且與植物對高濕度的適應性變化密切相關。乙烯的作用可能與其他植物激素如離層酸等相對立，並且可能在高濕度反應中起到拮抗作用。

研究團隊進行了一系列的實驗，以研究乙烯如何調節植物對空氣濕度的反應。

1. 透過不同濕度處理下，對野生種植株中八個功能性ACS基因的表現量進行定量PCR分析，並測量不同濕度處理後2小時的乙烯量。

研究團隊透過定量PCR分析了野生種植株中八個功能性ACS基因（合成乙烯的關鍵酵素）的表現量，並測量了不同濕度處理後2小時的乙烯量。結果顯示，在高濕度處理下，這些ACS基因的表現量上升，並且乙烯量也隨之增加。這顯示高濕度條件下，植物對乙烯的合成和累積有所增加，進一步說明了乙烯信號在調節植物對空氣濕度反應中的作用。

2. 研究高濕度處理對膜蛋白和磷酸化蛋白的影響。

研究團隊觀察到高濕度處理對膜蛋白和磷酸化蛋白有不同的影響。高濕度處理會導致膜蛋白的表現量和磷酸化程度的增加，特別是與細胞壁生合成和細胞膜運輸相關的蛋白質。此外，高濕度處理還會導致一些磷酸化蛋白的表現量和磷酸化程度的下降，這些蛋白質與離子通道、細胞壁生合成和蛋白質合成等過程有關。這些結果顯示，高濕度處理對膜蛋白和磷酸化蛋白的調節可能是植物對空氣濕度變化做出反應的重要機制之一。

3. 研究高濕度處理對基因表達的影響。

研究團隊觀察到高濕度處理對基因表現有廣泛的影響。高濕度處理導致了大量基因的表現量的改變，其中一些基因的表現量在0.5小時內就發生了明顯的變化。進一步的分析顯示，高濕度處理對許多生物學過程和分子功能的基因調節都有影響，包括細胞壁生合成、離子通道、蛋白質合成、激素代謝和訊息傳遞等。這些結果顯示，高濕度處理對基因表達的調節是植物對空氣濕度變化做出反應的重要機制之一。

研究團隊分析了高濕度處理後野生種植株中的基因表現變化。他們選擇了高濕度處理後表現量上升的前50個基因，並選擇了幾個基因作為高濕度反應的標誌基因，包括SLAH3、CYP94C1、WRKY18和NPF7.2。這些基因屬於不同的基因家族，其轉錄誘導性進一步透過定量PCR確認。這些基因的表現變化表明高濕度處理對植物基因表達水平產生了影響，進一步說明了植物對空氣濕度變化的反應機制。

4. 研究高濕度處理對乙烯合成的影響。

研究團隊觀察到高濕度處理會誘導植物乙烯的合成。他們發現在高濕度處理後，大部分被認為參與植物乙烯生合成的8個ACS基因（ACC合成酶基因）的轉錄水平會迅速上升，包括ACS2、ACS6、ACS7、ACS8和ACS11等。此外，他們還通過氣相色譜法測量了乙烯的產生量，發現高濕度處理會導致乙烯的快速累積。這些結果顯示，高濕度處理會誘導植物乙烯的合成，進一步啟動乙烯信息傳導，調節下游的高濕度反應。

綜合這些結果，研究團隊得出了乙烯信號透過調節膜蛋白和磷酸化蛋白的表現，進而調節植物對空氣濕度的反應的結論。

高濕度會增加植物的水分利用效率，但同時也會降低蒸散作用，可能導致降低的冷卻效果和透過蒸散作用流失的營養吸收受阻。此外，高濕度也會增加植物葉片疾病的風險，可能是因為有利於病原體生長的水分豐富環境。所以，至少對非雨林植物來說，可以說高濕度對植物也是一種環境壓力，是植物需要去因應的。

參考文獻：

Jiang Z, Yao L, Zhu X, Hao G, Ding Y, Zhao H, Wang S, Wen CK, Xu X, Xin XF. Ethylene signaling modulates air humidity responses in plants. Plant J. 2024 Feb;117(3):653-668. doi: 10.1111/tpj.16556. Epub 2023 Nov 23. PMID: 37997486.