TWA1：植物的感溫蛋白

 

圖片來源：Nature

當植物面臨高溫時，會啟動一系列反應來保護自己，包括關閉氣孔降低蒸散作用、表現熱休克蛋白以維護許多蛋白質的功能、合成離層酸（ABA）與茉莉酸（JA）以進一步啟動耐熱反應等。最近的研究發現了一種名為TWA1的蛋白質，它在植物如何感知和應對高溫中扮演了關鍵角色。

科學家是在研究植物對離層酸的反應時，發現了一些對ABA特別敏感的植物突變體。他們進一步發現，這些突變體在高溫下比普通植物更容易受損，從而注意到TWA1的作用。

研究團隊使用了pHB6:LUC報導基因，這個報導基因在ABA存在時會表現出螢光信號，使他們可以檢測植物對ABA反應是否有變化 。他們進行EMS誘變，篩選出對ABA超敏感的突變體。

接著他們測試了這些ABA超敏反應突變體在溫度變化下的表現，發現當溫度從17°C升高到27°C時，報導基因的表現增加了超過100倍。透過這些實驗，研究人員找到了TWA1。

預測TWA1蛋白包含1300個胺基酸 。這些胺基酸組成了一個本質無序的蛋白，該蛋白具有兩個可能的乙烯反應元件結合因子相關的兩性抑制（EAR）基序（LxLxL） 。

研究團隊注意到TWA1的胺基端含有一段高度變化的區域（Highly Variable Region, HVR），這個區域在不同植物之間的變異性很高 。他們發現阿拉伯莧菜（Arabidopsis lyrata）的TWA1（AlTWA1）在20°C下即可支持酵母生長，而阿拉伯芥的TWA1需要更高的溫度（約30°C） 。

胺基端的變異性有多重要呢？研究團隊將胺基端前554個胺基酸刪除，發現這麼一來它就無法抑制基因表現了。

更有意思的是，當他們把阿拉伯莧菜的HVR區域換到阿拉伯芥的TWA1上，形成嵌合體，結果這個嵌合體在溫度感應上模仿了阿拉伯莧菜的TWA1行為，證實了HVR區域對溫度感應的重要性 。

到底TWA1怎麼作用呢？研究團隊利用FRET-FLIM技術，在酵母菌和植物細胞中分析了TWA1與JAM2和TPL蛋白的相互作用。結果顯示，在高溫下（30°C），TWA1在細胞核亞區域內與JAM2和TPL結合，而這種結合在低溫（20°C）下是測不到的 。

進一步的分析顯示，胺基端和羧基端在低溫（17°C）下是接近的，但在高溫下這兩端分開，顯示出溫度引起的構形改變 。

所以，TWA1蛋白在高溫時會改變形狀，與JAM2與JPL這兩個蛋白質結合，形成一個複合物，這個複合物能抑制植物內部與ABA相關的基因表現，幫助植物應對高溫壓力。這就像是一個內部的「溫度開關」，在需要時啟動保護措施。

離層酸是一種植物激素，通常在植物面臨乾旱時會增加，以減少水分流失。它同時也能幫助植物增強耐熱性，這兩者常常是一起發生的。TWA1被發現與ABA的信號傳遞有關，缺少TWA1時，如果將溫度從17度提高到27度，ABA相關的基因表現會提高100倍。這個發現意味著ABA在植物應對高溫中的重要性。

了解TWA1和ABA如何幫助植物應對高溫，不僅有助於科學家理解植物生理機制，還能為未來的農業技術提供新思路。例如，透過基因改良，我們可以培育出更加耐熱的農作物，應對氣候變化帶來的挑戰。

參考文獻：

Bohn, L., Huang, J., Weidig, S. et al. The temperature sensor TWA1 is required for thermotolerance in Arabidopsis. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07424-x