老葉的植物王國

  圖片來源：維基百科 全球暖化造成氣溫上升，對農作物的產量也會造成影響。高溫會使生物的細胞膜脂質運動加快、蛋白質結構變得不穩定，這些都會讓形成環境壓力。 最近的研究發現了一個稱為 TT2 的基因（ TT2 是 THEROMOTOLERANCE 2 ）。 TT2 失去功能的水稻比較耐熱，不會因為溫度上升而造成產量下降。研究發現， TT2 是G蛋白（G protein）的Gγ次單元。 G蛋白是鳥嘌呤核苷酸結合蛋白（guanine nucleotide-binding proteins）的簡稱，含有一個鳥苷酸結合結構域，由α、β、γ三個次單元所組成。活化狀態下的G蛋白可以活化腺苷酸環化酶（adenylate cyclase），產生第二信使cAMP（cyclic AMP），從而產生進一步的效應。 G蛋白是由吉爾曼（Alfred G. Gilman）與羅德貝爾（Martin Rodbell）在研究腎上腺素的信息傳遞時發現的，並讓這兩人獲得1994年的諾貝爾生理醫學獎。 研究團隊發現，當 TT2 基因失去功能時，水稻可在高溫下仍保有蠟質，這使得突變株水稻可在高溫下維持一樣的產量。研究團隊發現另一個轉錄因子（transcription factor）SCT1（Sensing Ca 2+ Transcription factor 1）會與鈣調蛋白（calmodulin，CaM）進行互動後負向調節與蠟質合成相關的基因，但這個互動在缺少 TT2 基因後被打斷，造成植物蠟質的累積上升。 發現 TT2 基因可提升水稻的耐熱程度且不影響產量，未來可利用這個突變來選育耐熱水稻，讓水稻的產量在氣候變遷的當下保持穩定。 參考文獻： Kan, Y., Mu, XR., Zhang, H. et al. TT2 controls rice thermotolerance through SCT1-dependent alteration of wax biosynthesis. Nat. Plants (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-01039-0

  圖片來源： 維基百科 全球暖化對糧食安全的威脅之一就是：溫帶農作物如小麥，將來可以種植的區域會縮小。但是小麥是重要的穀物，世界上許多人生活都少不了它。很難想像有一天麵包、麵條、義大利麵會成為奢侈品吧？所以一定要想辦法讓小麥變得耐熱。 要如何讓小麥變得耐熱呢？有些科學家嘗試著以傳統育種或以基因轉殖（基改）方式導入耐熱基因，希望可以得到耐熱品系的小麥。但是不論是哪種方法都相當耗時費事，更不用提基改作物目前還不被許多國家許可。如2004年孟山都公司研發出基改小麥後，加拿大立刻率先表示他們不會進口美國的基改小麥就是一個很好的例子。 如果要更快找到提升作物耐熱性，有沒有其他的方法呢？有一個研究團隊想到，找植物的內生菌（endophyte）。他們最近發現，腸桿菌 Enterobacter sp. SA187可以提升小麥的耐熱性。在這隻菌的存在下，小麥可以忍受攝氏44度的溫度兩小時，依然持續成長茁壯。 但是，到底這隻菌是怎麼提升小麥的耐熱性呢？研究團隊以阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）為模式進行實驗，發現這隻菌會透過 HSFA2 來提升H3K4me3的量，接著引發熱反應記憶的基因（heat-responsive memory genes）的表現。進一步的分析發現， HSFA2 的作用需要透過乙烯訊息傳導路徑。 瞭解了腸桿菌SA187如何提升小麥的耐熱性是好事，但這隻菌是否真的實用呢？研究團隊發現，不論是在實驗室或田間試驗，腸桿菌SA187都可以提升小麥的耐熱性；另外研究團隊還發現，腸桿菌SA187並不會改變小麥根菌群的組成。希望這隻菌未來可以上市，好協助農民在未來的環境中，依舊能夠容易地栽種小麥。 參考文獻： EMBO Rep (2021)e51049 https://doi.org/10.15252/embr.202051049