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垂枝(weeping)的性狀是怎麼一回事?

 

垂枝李。圖片來源:維基百科

身為光合自營生物,光線對植物的生長發育的重要性不言而喻。為了競爭光線,植物一直往上長是很正常的。除了「向光性」(phototropism),還有所謂的「負向地性」(negative gravitropism)一同來影響這個現象。但是,有些樹木(如垂柳 Salix babylonica與梅Prunus mume)卻會出現所謂的「垂枝」(weeping)的性狀--就是枝條往下彎曲。這顯然違背植物的生長發育,所以到底是什麼造成植物垂枝呢?

合理的猜測應該是與生長素(auxin)有關。植物的生長方向受到生長素的影響,而且過去也觀察到,有些植物的枝條會因為生長素分佈不均衡,產生了向枝條下彎的性狀。

2018年的研究發現,一個被稱為WEEP的基因,會使桃樹、李樹的枝條向下彎,也會造成阿拉伯芥的根系生長狀況改變。

研究發現,WEEP 基因參與細胞壁的合成,影響木聚醣(xylan)的甲基化與木質素(lignin)的合成,對植物結構的支撐產生影響。而2024年的研究發現,WEEP 基因透過調控 SMALL AUXIN-UP RNAs (SAURs) 的表現,進而影響植物細胞的延長,導致桃樹樹枝向下生長 ( 垂枝 ) 的現象。

通常SAURs 會在枝條下側表現較多,使枝條向上彎曲;但在垂枝 (weep) 的桃樹品系中,SAURs 反而在枝條上側表現較多,導致在枝條上側的細胞生長較快,使枝條向下彎曲。這種 SAURs 表現的差異,顯示了 WEEP 基因在調控生長素梯度,以及影響植物向地性方面扮演重要角色。

研究團隊也發現,WEEP 基因影響了 FASCICLIN-LIKE ARABINOGALACTAN-PROTEINS (FLAs) 的表現。FLAs 參與細胞壁的合成,在WEEP有功能的狀況下,FLAs會改變纖維素微纖維(cellulose microfibril)的角度,使阿拉伯半乳聚糖(arabinogalactan)與纖維素含量提升,使枝條上側的張力提升。但是在 weep 突變株中,FLAs 在枝條下側表現較多,可能導致枝條向下生長。

除了影響枝條生長,WEEP 基因也調控側根 ( lateral root ) 的向地性。在 weep 突變株中,側根表現出更強的向地性,也就是說,側根會更垂直地向下生長。這種現象可能是由於 WEEP 基因影響了生長素的傳輸,導致 PIN3 蛋白 ( 影響生長素運輸的蛋白 ) 在細胞中的分布改變。

總結來說,WEEP 基因透過影響生長素的傳輸和分布,調控了植物枝條和根的向地性。在 weep 突變株中,生長素的梯度發生改變,導致枝條向下彎曲、側根更垂直向下生長的現象。

參考文獻:

Andrea R Kohler, Andrew Scheil, Joseph L Hill, Jeffrey R Allen, Jameel M Al-Haddad, Charity Z Goeckeritz, Lucia C Strader, Frank W Telewski, Courtney A Hollender, Defying gravity: WEEP promotes negative gravitropism in peach trees by establishing asymmetric auxin gradients, Plant Physiology, Volume 195, Issue 2, June 2024, Pages 1229–1255, https://doi.org/10.1093/plphys/kiae085

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