老葉的植物王國

  圖片取自 Nature Plants 阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）是植物學的明星物種，從光合作用到開花控制，許多核心知識都來自它。 最近，沙克研究所的研究團隊，更進一步建立了細胞轉錄體地圖，讓未來的植物科學研究如虎添翼！ 看文章

圖片取自 期刊 。 何時開花，是植物持續生存與繁衍的關鍵。以阿拉伯芥為例，它的開花時機主要受到一個叫做 FLC的基因調控。 但是，FLC只參與開花嗎？負責調控植物開花時機的基因，除了FLC還有其他的基因嗎？ 最近的一個有趣的研究，提供了非常多重要的資訊喔！ 看文章  

  圖片來源：Nature 生物面對瞬息萬變的環境，必須要能夠適時地改變基因的表現，才能讓自己的物種持續生存下去。 最近杜克大學（Duke University）的研究團隊發現，阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）的基因體會在受到病害攻擊時，從表現同一條DNA上游的基因轉到下游的基因。 到底是怎麼達成的呢？原來這段DNA上面有兩個啟動密碼（AUG），在上游的啟動密碼不遠處，有一段序列會折疊形成髮夾狀的二級結構（hairpin）。這個髮夾會讓在信息RNA上掃描啟動密碼的核糖體（ribosome）掃描的動作慢下來，於是就讀到第一個啟動密碼，製造蛋白質。 當病害入侵植物時，植物會合成一個解旋酶（helicase），把髮夾打開；這使得核糖體能夠快速掃描這段RNA，於是就錯過第一個起始密碼，從第二個起始密碼開始轉譯，生成負責抵抗病害的蛋白質了。 因為研究團隊正在申請專利，所以到底這兩個基因是誰跟誰，版主看不到，請大家諒解。 參考文獻： Yezi Xiang, Wenze Huang, Lianmei Tan, Tianyuan Chen, Yang He, Patrick S. Irving, Kevin M. Weeks, Qiangfeng Cliff Zhang, Xinnian Dong. Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection. Nature, 2023; 621 (7978): 423 DOI: 10.1038/s41586-023-06500-y

  阿拉伯芥可在月球土壤中生長。圖片來源： Commun Biol 人類若要進行長程太空旅行，一定要想辦法在太空中種植作物。否則光是攜帶食物的空間就要佔去一大部分的太空船空間，真的很不經濟。 過去曾嘗試 在太空站種植作物 ，但所用的介質來自地球，所以雖然取得成功但並不太意外。如果換了其他星球的泥土呢？是不是也能取得成功？ 這個問題在最近得到了初步的答案。佛羅里達大學的研究團隊使用了三次太空任務帶回的月球泥土種植阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ），證實了植物在月球泥土中可以生長。 由於三次太空任務（阿波羅11, 12, 17）總共只帶回了12克的月球泥土，所以也只能以阿拉伯芥來測試。畢竟，如果不是用全月球泥土就沒有意義了不是嗎？研究團隊用了培養細胞用的小培養盤（48穴培養盤），每盤裝0.9克月球泥土，然後將阿拉伯芥的種子種下。 大多數的種子很快（48-60小時）就發芽了。這讓研究團隊很開心，不過隨著植物逐漸長大，研究團隊發現有些在月球泥土中長大的阿拉伯芥，它們長得比較小也比較慢。分析這些植物的基因表現發現，這些植物的確有出現壓力反應。 研究團隊希望能夠透過更多的轉錄體分析來瞭解，究竟月球泥土對植物造成怎樣的生存壓力，而我們又可以如何緩解這些壓力，讓我們真的可以在月球種田。 參考文獻： A.L. Paul et al. 2022. Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration. Commun Biol 5, 382; doi: 10.1038/s42003-022-03334-8

  阿拉伯芥。圖片來源： 維基百科 阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ，又名擬南芥）因為植株小、種子多、基因體小、生命週期短、基因中內含子（intron）不長，在最近這幾十年來成為很受歡迎的模式植物（model plant）。這種原生於歐亞非三洲溫帶的野草，在野外也存在著不少的生態型（ecotype）。 收集阿拉伯芥在野外的生態型並進行研究，已成為瞭解基因功能的方法之一。最近英國的研究團隊研究在瑞典收集到的191個阿拉伯芥的生態型，找到一個對生物時鐘（circadian rhythm）影響相當大的基因。 研究團隊先在攝氏22度下將幼苗於12小時光照/12小時黑暗的循環下培育到14天大，接著便以24小時光照的狀況於攝氏22度下觀察植物的生物時鐘。結果發現不同生態型的阿拉伯芥的生物時鐘長度差異可達4.42小時：最長的為25.7小時、最短的為21.28小時。 綜合觀察發現，具有短週期的植物多半分布在北方，具有長週期的植物多半分布在南方。植物所在的海拔高度，對週期的長短沒有影響。南方的植物遺傳多樣性較高，基因體較小；北方的植物遺傳多樣性較低，基因體較大，且有較多的抗旱基因。研究團隊認為，遺傳多樣性的不同可能是因為過去冰河曾覆蓋北方較久的緣故。 進一步研究週期最長與最短的生態型發現，一個稱為 COR28 （cold-regulated gene 28）的基因在第58號胺基酸上的不同，對於週期的長度有很大的影響。由色胺酸（tryptophan，W）變為絲胺酸（serine，S）使得週期長了1.29個小時。這個基因在阿拉伯芥中過去曾發現與開花時間、抗凍以及生物時鐘有關。從色胺酸到絲胺酸的改變，不僅造成週期變長，開花時間也變晚了。 近年來的全球暖化，造成植物可在更高緯度的區域生長；但是更高緯度的區域其日照週期較長，對許多農作物的生長發育會造成影響。這個研究找到了單一基因可影響生物時鐘的長度，未來或許可進一步應用在作物的改良上，讓更多的作物可以在北方生長茁壯。 參考文獻： Hannah Rees, Ryan Joynson, James K.M. Brown, Anthony Hall. Naturally occurring circadian rhythm variation associated with clock gene loci in Swe...