老葉的植物王國

耕耘機。By S.J. Shelestynsky - Personal Collection, Public Domain,   現代農業少不了農機，但是這些又大又重的機器壓在土壤上，就會產生「土壤壓實」的問題。 過去已經有許多研究發現，壓實的土壤不利於植物生長； 最近在《自然》期刊上又有一篇關於土壤壓實的研究。 這篇有什麼過人之處，可以出現在《自然》呢？ 因為它夠自然！ 看文章

  圖片來源：維基百科 生物在遇到惡劣的環境（如乾、熱）時會產生壓力反應，但是如果再次遇到相同的環境壓力的時候，反應就不會那麼激烈。這個過程可說是生物的適應，也可說生物還「記得」上次是怎麼回事，所以這次知道要怎麼應對。 最近的研究發現，阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）的 HSFA3 基因與植物對熱壓力的記憶有關。研究團隊發現， HSFA3 會藉由和 HSFA2 以及其他幾個熱休克因子結合，來活化與熱壓力相關的記憶基因。這幾個蛋白質在一起，會使得組蛋白（histone）H3的第四個胺基酸（離胺酸）發生過量甲基化（hypermethylation），從而活化熱壓力相關基因的轉錄（transcription）。 同樣以阿拉伯芥為材料的研究發現，另一個基因 JUMONJI 也讓植物記得熱壓力。 JUMONJI 是一個組蛋白去甲基酶（histone demethylase），主要的功能為移除組蛋白H3在第27個胺基酸（離胺酸，H3K27）的甲基化有關。 研究團隊發現， JUMONJI 會讓一些小熱休克基因區域上的H3K27的三甲基化（trimethylation）程度降低，使它們（ HSP22 與 HSP17.6C ）的表現量上升，造成植物可記得熱壓力。 參考文獻： Friedrich, T., Oberkofler, V., Trindade, I. et al. Heteromeric HSFA2/HSFA3 complexes drive transcriptional memory after heat stress in Arabidopsis. Nat Commun 12, 3426 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23786-6 Nobutoshi Yamaguchi, Satoshi Matsubara, Kaori Yoshimizu, Motohide Seki, Kouta Hamada, Mari Kamitani, Yuko Kurita, Yasuyuki Nomura, Kota Nagashima, Soichi Inagaki, Takamasa Suzuki, Eng-Seng Gan, Taiko To, Tetsuji Kakutani, Atsush...

  圖片來源： 維基百科 氧化三甲胺（TMAO，Trimethylamine N-oxide）是三甲胺形成的 N -氧化物，可在甲殼類與海水魚中發現。過去發現，氧化三甲胺可以防止水壓將蛋白質產生變形而失去功能；最近的研究發現，氧化三甲胺可由腸道中的菌叢利用紅肉中的左旋肉鹼（L-carnitine）產生，會促進巨噬細胞堆積在血管壁、抑制膽固醇回收路徑、增強血小板凝集活性，可能進而導致粥狀動脈硬化與血管栓塞的形成，增加罹患心臟病的風險。也是因為這樣，所以食用紅肉被認為有害心血管。 最近的研究發現，氧化三甲胺不只對動物有影響，對植物也有影響。植物的含黃素單加氧酶（FMO，flavin-containing monooxygenase）會合成氧化三甲胺，在植物中也擔任在動物中類似的功能，防止因滲透壓改變而造成蛋白質變形；因此氧化三甲胺對於植物在低溫、乾旱、高鹽等壓力下，都可以協助植物抵禦壓力。 但是氧化三甲胺在植物中的功能不止於此！研究團隊目前測試了阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）、番茄、圓葉煙草、大麥與玉米都可測到氧化三甲胺，其中尤其大麥特別高。在低溫、乾旱、高鹽的狀況下，番茄、圓葉煙草與玉米的氧化三甲胺都上升，而低溫與乾旱下會出現氧化三甲胺上升的現象。在番茄中外加氧化三甲胺，會使它對低溫、乾旱、高鹽狀況的抵抗力，也會使得與壓力相關的基因表現改變。 在阿拉伯芥中高量表達負責產生氧化三甲胺的含黃素單加氧酶，會使植物230個與壓力相關的基因的表現改變，其中有184個表達上升。這些基因與外加氧化三甲胺的實驗結果重疊。但含黃素單加氧酶表現上升卻測不到氧化三甲胺在植物內的濃度上升，這是未來需要進一步觀察的部分。 參考文獻： Trimethylamine N-oxide is a new plant molecule that promotes abiotic stress tolerance BY RAFAEL CATALÁ, ROSA LÓPEZ-COBOLLO, M. ÁLVARO BERBÍS, JESÚS JIMÉNEZ-BARBERO, JULIO SALINAS SCIENCE ADVANCES19 MAY 2021 : EABD9296

動物與植物長得大大不同，不論是生理或解剖上都是天差地遠；也是因此，在第一次發現植物也會使用類固醇--即所謂芸苔素（brassinolide）時，真的是「轟動武林，驚動萬教」！ 一時之間，芸苔素以及它的訊息傳導路徑成為顯學，許多研究植物賀爾蒙的研究室都紛紛投入研究。筆者躬逢其盛，雖沒有參與研究，卻也在其中的一間實驗室親眼看到，新進的博後紛紛表達意願要投入芸苔素的研究，真的是好熱鬧呢！ 最近，發表在「自然通訊」期刊（Nature Communications）上的一篇論文，解答了超過半世紀以來的疑惑：γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，簡稱GABA），原本以為只是植物的代謝產物，其實也負責植物對外界壓力的反應，而且作用模式跟它在動物裡的作用模式有頗多相似之處呢！ GABA。圖片來源： wiki 研究團隊發現，植物在感受到壓力（如陰離子上昇、土壤酸性升高等）時會分泌GABA，這會使得「鋁活化蘋果酸運輸蛋白1」（ALMT1，aluminium-activated malate transporter）受到抑制，使蘋果酸（malate）外流的速度大大降低，讓植物在壓力狀況下不會流失過多寶貴的有機化合物。同時，植物的生長速度也會大大減緩。 ALMT1平常負責感應陰離子以及三價鋁離子（Al 3+ ）濃度，造成細胞膜去極化，氫離子（H + ）外流，促進植物生長；為什麼氫離子外流就能促進植物生長呢？因為當氫離子流出到細胞壁，會使得細胞壁空間（apoplastic space）的液體變酸，酸性pH可以活化位於細胞壁的擴張蛋白（expansin）。活化的擴張蛋白會使細胞壁纖維素之間的氫鍵鬆開，植物細胞便可以吸水長大。 當植物感受到環境壓力時，GABA分泌，抑制ALMT1，使細胞膜高度極化（hyperpolarization），與動物的GABA對神經元上的GABA受器的作用類似。而且，植物的ALMT1也與動物的GABA受器一樣，可以被蠅蕈素（muscimol，來自毒蠅傘 Amanita muscaria ）抑制，產生類似與GABA結合的效果；也可以被荷包牡丹鹼（bicuculline，取自紫菫科植物）刺激而活化呢！ 不過，ALMT1究竟與動物的GABA受器有多相似呢？研究團隊分析了ALMT1的蛋白質結構後發現，除了與GABA互動的12個氨基...