老葉的植物王國

  圖片來源： Cell Host & Microbe 看過灰黴病菌（ Botrytis cinerea ）嗎？你一定看過，只是你不知道。灰黴病菌是非常常見的植物病原菌，會造成灰黴病。寄主範圍寬廣，主要發生於冬春季低溫多濕季節，24℃以下低溫才會發生，尤以初春春雨來臨時發生嚴重。 這篇論文的主題是關於植物的mRNA如何通過細胞外囊泡（EVs）進入真菌病原體，從而降低感染。研究團隊發現，阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）能將mRNA通過EVs傳遞到灰黴病菌中，這些mRNA在真菌細胞內被轉譯成蛋白質，這些蛋白質能夠減少對植物的感染。 研究團隊的主要發現包括： 1. 植物EVs能夠攜帶mRNA：研究顯示，植物EVs中含有mRNA，並且這些mRNA與生物防禦反應有關。 為了確認植物細胞外囊泡（EVs）中含有mRNA，研究團隊對從阿拉伯芥葉子的葉間液中早期（16小時）收集的純化EVs進行了mRNA分析。在對照組和灰黴病菌感染的葉子分離的EVs中，通過RT-PCR檢測到全長植物mRNA。針對幾種基因（如衰老相關基因21（SAG21）、ATP硫酸轉運酶1（APS1）、過氧化物酶IIC（PRXIIC）和類Hevein（HEL））的全長mRNA，在經過微球菌核酸酶和蛋白酶K消化後，除非先用Triton X-100破壞囊泡，否則仍然可以在純化的EVs中被檢測到。這證明這些mRNAs確實包含在囊泡內部，而不是結合在外表面或與獨立的蛋白聚合物相關聯。 2. 植物mRNA在真菌細胞中被觀察到：利用螢光RNA適配体（Broccoli system）證實了在EVs中的植物mRNA可以被真菌細胞攝取。 螢光RNA適配體（Fluorescent RNA Aptamers）是一種特殊的RNA分子，它們通過高通量篩選（如SELEX）從大量的隨機序列庫中篩選出來。這些RNA適配體具有獨特的結構，使它們能夠緊密結合特定的螢光分子（如螢光染料），從而在特定條件下發出螢光。 這些螢光RNA適配體可以用於標記和追踪RNA分子。其中一個著名的例子是“Broccoli”系統，這是一種螢光RNA適配體，能夠緊密結合DFHBI這種螢光分子。當Broccoli適配體與DFHBI結合後，在藍光激發下會產生綠色螢光，從而使研究人員能夠在活細胞中直接觀察到RNA分...

  圖片來源：維基百科 又稱為灰色葡萄孢菌的灰黴病菌（ Botrytis cinerea ），在潮濕的環境中會帶來「灰腐病」（grey rot），導致植物出現灰斑、潰爛、死亡。雖然在較乾燥的條件下它可以讓葡萄產生特別的貴腐狀態（稱為noble rot）從而得到貴腐酒，但在園藝和農業上卻是嚴重的問題。 最近的研究發現，灰黴病菌內有個稱為Crh1的轉糖基化酶（transglycosylase）會導致植物細胞死亡。這個蛋白質在真菌內主要是把真菌細胞壁的幾丁質（chitin）與糖的聚合物連結在一起。在腐生性生長的過程中，Crh1位於液泡與內質網；但是在感染時，它會累積在感染處，然後被分泌到細胞壁空間（apoplast）中，接著就會移動到植物細胞內，造成植物細胞死亡（同時植物也會啟動防禦反應）。 研究團隊發現Crh1中有一個53個胺基酸的區域，對蛋白質能否移動到植物細胞內很重要；另一個35個胺基酸的區域則對啟動植物細胞死亡很重要。另外，Crh1會形成二元體，不能形成二元體的突變種Crh1不具有轉糖基化酶的活性，但還是可以啟動植物細胞死亡。 有意思的是，當研究團隊讓阿拉伯芥表達它的時候，轉殖阿拉伯芥對灰黴病菌的抵抗力上升了。或許可以利用這個特性來製作出抗病的作物也未可知。 參考文獻： Bi, K., Scalschi, L., Jaiswal, N. et al. The Botrytis cinerea Crh1 transglycosylase is a cytoplasmic effector triggering plant cell death and defense response. Nat Commun 12, 2166 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22436-1

感染灰黴病菌（ Botrytis cinerea ）的草莓。 圖片來源： 維基百科 。 灰黴病菌（ Botrytis cinerea ），又稱為灰色葡萄孢菌，是一種寄生性真菌。雖然在較乾燥的條件下它可以讓葡萄產生特別的貴腐狀態（稱為noble rot）從而得到貴腐酒，但在園藝和農業上，在潮濕的環境中，它通常會帶來「灰腐病」（grey rot），導致植物出現灰斑、潰爛、死亡。灰腐病對草莓、葡萄、覆盆子、番茄、萵苣都是嚴重的問題，農夫通常會噴灑抗真菌劑來抑制灰黴病菌的生長，但病菌本身對抗真菌劑也慢慢的發展出了抵抗力。 最近發表在「美國國家科學院院刊」（PNAS，Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一篇研究，在紫花苜蓿（ Medicago truncatula ）的根瘤中中找到一個由三十六個胺基酸構成的多肽「NCR044」可以抑制灰黴病菌。 紫花苜蓿與我們用來做沙拉吃的苜蓿是同屬不同種的植物。它的根瘤中有大約七百種富胱胺酸的多肽，其中有些帶正電的多肽具有抗真菌的活性。研究團隊以核磁共振（NMR）研究了NCR044的結構，也測試了這個多肽抗真菌的活性。 研究團隊發現NCR044不僅可抑制灰黴病菌孢子的萌發，而對於初萌發的灰黴病菌（germlings），NCR044會打破灰黴病菌的細胞膜、產生自由基，累積在病菌細胞質與核仁中，造成灰黴病菌失去活性。 研究團隊發現在植物以及收成後的番茄與煙草上噴灑NCR044可以抑制真菌的生長。這個發現意味著NCR044可以作為一個抑制灰黴病菌的生物製劑，且由於它是多肽，在分解後可以完全被環境吸收，因此作為一個對環境友善的抗真菌劑是非常好的。 參考文獻： Siva L. S. Velivelli, Kirk J. Czymmek, Hui Li, Jared B. Shaw, Garry W. Buchko, Dilip M. Shah. Antifungal symbiotic peptide NCR044 exhibits unique structure and multifaceted mechanisms of action that confer plant protection. Proceedings of the Nationa...

跟人一樣，感染植物的病原也有百百種。植物為了抵禦這些病原，當然也要發展出許多不同的對策。感染植物的真菌通常分為兩大類：壞死性（necrotrophic ）與生物營養性（biotrophic）。近年有些科學家主張還有第三種「半生物營養性」（hemibiotrophic）真菌，不過還沒有被廣泛地接受。 感染灰黴病菌（ Botrytis cinerea ）的草莓。 圖片來源： Wiki 這兩種真菌病原有什麼差別呢？它們的差別可大了！因為壞死性真菌要吸取死掉的植物細胞的養分，所以在感染植物後，會很快地造成植物的細胞壞死；而生物營養性真菌需要植物的細胞繼續活著，才能讓它們持續獲取養分，所以就不會那麼快殺死植物的細胞。所以從植物抵禦的角度看來，這兩種病原不可能用同一套方法來對付：例如經由水楊酸（salicylic acid）啟動的細胞程序性死亡（PCD，programmed cell death）用來對付生物營養性的病原（如導致白粉病的布氏白粉菌 Blumeria graminis ）很有效，但用來對付灰黴病菌（ Botrytis cinerea ）就會適得其反。 最近西班牙的農業基因組學研究中心（CRAG，Centre for Research in Agricultural Genomics）在發展研究植物SUMO化（SUMOylation）機制的方法時，發現SUMO化對於植物抵禦壞死性真菌入侵有重要的角色。 什麼是SUMO化呢？SUMO化就是將蛋白質與SUMO進行連結，在動植物裡面都可以找到這個機制；而SUMO是小分子類泛素修飾蛋白（Small Ubiquitin-like Modifier）的簡稱。雖然它與泛素（ubiquitin）都是經過酵素的作用加到蛋白質上面，但與泛素化（ubiquitination）不同的是，被SUMO化的蛋白質只會導致它與不同的蛋白質發生互動；而泛素化除了可以改變互動成員外，最有名的效應應該就是導致被它修飾的蛋白質被分解。除此之外，SUMO蛋白還比泛素多了二十幾個胺基酸。 蛋白質要被SUMO化必需要經過三個酵素。簡而言之，第一個酵素（E1）將SUMO腺苷化（adenylation）並讓它與第二個酵素（E2）發生連結，然後第二個酵素與第三個酵素（E3）再將SUMO連結到需要被SUMO化的蛋白質上。可能是因為E1...