植物的「火災警報器」（KAI2）的真正功用

 

Karrikins。圖片來源：維基百科

你知道，森林火災後有些植物會迅速發芽，是因為森林火災會產生一種稱為karrikins的小分子嗎？Karrikins是一組促進種子發芽的生物活性有機化合物，結構類似於獨腳金內酯（Strigolactone），主要在野火後的環境中發現。已知Karrikin能影響超過80屬共1200種植物的種子發芽等。Karrikins主要由KAI2受器感應，但研究發現在非火災相關的植物發育過程中它也發揮作用，暗示了植物可能使用KAI2來感應內源性類似karrikins的分子。Karrikins這個字來自西澳洲Noongar語的「karrik」，意思是「煙」。

最近的研究發現，矮牽牛的Karrikins受體PhKAI2ia竟然可以感應植物的倍半萜（sesquiterpene）！無法感應這個倍半萜的矮牽牛會出現雌蕊的柱頭重量和大小減少、種子產量降低等缺陷。

究竟他們是怎麼發現的？研究團隊一開始其實是對一個基因發生興趣，這個基因，PhTPS1，負責合成特定的倍半萜類化合物。當這個基因表現降低時，植物會出現雌蕊柱頭發育不良等問題。

當研究團隊分析野生種與PhTPS1突變種矮牽牛的RNA時，發現在開花前一天時，PhTPS1突變種與野生型植物之間只觀察到了輕微的基因表達差異。然而，在開花後第一天，比較顯示PhTPS1突變種中有大約4倍數量的基因表達發生了顯著變化，這顯示PhTPS1基因在開花過程中對某些基因表達有顯著影響。

分析在PhTPS1突變種中下調的基因時，大約35%與多種壓力反應相關，包括對乙烯和其上游調節器karrikin的反應。這意味著PhTPS1不僅影響柱頭的發育，也可能與植物對環境壓力的反應相關。

由於有8個與karrikin反應相關的基因表現都降低，於是研究團隊決定要仔細看看karrikin受器（KAI2）們。矮牽牛有4個KAI2，其中PhKAI2ia在雌蕊表現量最高，而且其表現量受到VOC的量的影響。

所以，研究團隊就把PhKAI2ia用RNAi的方式降低表現，然後就發現一樣出現了柱頭發育受影響的性狀。而且，倍半萜的合成並沒有降低，顯示PhKAI2ia的確是透過感應倍半萜來影響雌蕊的發育。

進一步的分析顯示，PhKAI2ia在感應到倍半萜之後會送出信號，而要送出信號需要另一個稱為MAX2的蛋白質。透過PhKAI2ia和MAX2的相互作用，倍半萜信號的接收觸發了一系列下游反應，包括涉及SMAX1（SUPPRESSOR OF MAX2 1）的蛋白質分解等。

所以，透過矮牽牛的研究，科學家發現原來對矮牽牛雌蕊發育很重要的倍半萜是由PhKAI2ia負責感應，接著還是透過karrikin的信息傳導路徑傳遞。所以，就如當初科學家們所預料的，這些植物的「火災警報器」KAI2們，果然在植物體內有「日常」的功能！

參考文獻：

Shannon A. Stirling et al. ,Volatile communication in plants relies on a KAI2-mediated signaling pathway. Science 383,1318-1325(2024).DOI:10.1126/science.adl4685