【生物奧妙】植物也有血紅素

■大家都知道動物有血紅素，負責幫我們攜帶氧氣到全身各處。但是植物有血紅素嗎？植物要血紅素做什麼？

撰文｜葉綠舒

照理說，植物應該不需要什麼蛋白質幫他們攜帶氧氣並運送到全身各處，畢竟光合作用本身已經讓植物細胞充滿氧氣了。但是很有意思的是，植物真的有血紅素，雖然沒有紅血球。雖然我們一般認為血紅素的功能是攜帶氧氣，但科學家研究的結果認為，血紅素最早的功能應該是偵測氧氣的存在，而不是攜帶氧氣（參考文獻1）。

在植物裡總共有三種血紅素，第一種稱為「共生血紅素」（symbiotic，sHbs），主要分佈在豆科植物裡面，提供共生的根瘤菌以及根瘤內的植物細胞生存所需的氧氣。因為固氮作用（nitrogen fixation）是厭氧的反應，在有氧氣的存在下，根瘤菌內的固氮酵素（nitrogenase）會很快失去活性，因此在根瘤中必需維持在微氧（microaerobic）的狀態下：只能有一點點氧氣來提供根瘤菌與根瘤內的植物細胞生存，但是不能太高造成固氮酵素失去活性。因此，豆科植物中都有「共生血紅素」的存在。

第二種稱為「非共生血紅素」（non-symbiotic，snHbs），分佈得非常廣泛，依照序列的分析、在植物中表現的狀況以及與氧氣結合的特性分為兩大類。單子葉植物多半沒有第二類的非共生血紅素（nsHb2），但是會有至少一個第一類非共生血紅素（nsHb1）；而雙子葉植物通常會具備兩類，不過在豆科植物（以及部分雙子葉植物）中已經演化為共生血紅素了。

第三種稱為「片段血紅素」（truncated, trHbs）。

非共生血紅素到底有什麼功能呢？目前的研究結果認為，第一類可能與缺氧有關，在缺氧時用來改進植物的能量狀態；第二類則與粒線體細胞呼吸作用有關，在粒線體進行細胞呼吸作用時可以改進他的氧氣供應狀態（參考文獻2）。

最近，瑞典的隆德大學（Lund University）的研究團隊，在甜菜（sugar beet，Beta vulgaris ssp. vulgaris）裡面找到了四個血紅素的基因，其中三個是非共生血紅素，第四個是片段血紅素。三個非共生血紅素裡面有兩個屬於第一類，一個屬於第二類。其中第二類的非共生血紅素（BvHb2）的表現量最高，而且在不同的部位裡表現量都很大（種子除外）。

表現量有多大呢？一公頃的甜菜，可以萃取出一至兩公噸的血紅素；而隆德大學的研究團隊說，甜菜的血紅素跟人的血紅素非常相像，因此，他們希望能讓甜菜的血紅素做為輸血時的緊急備品（參考文獻3）。畢竟，遇到重大車禍或是如伊波拉這類的疾病時，能否提供大量血液，常常是決定生與死的重要因素；尤其是在血庫不普遍，或是捐血的觀念尚未深入人心的區域，血源不足是常有的問題，如果能夠提供甜菜的血紅素做為緊急的備品，應該可以救活許多人命。

在歐洲，甜菜主要用於製糖；如果甜菜的血紅素真的可以用於人體做為輸血的備品，那麼以後在甜菜中萃取糖的過程中，也可以順便萃取甜菜血紅素。

想當初，甜菜之所以被發現，是在拿破崙戰爭時期，因為英國皇家海軍阻擋了由西印度群島來的運糖船，使得拿破崙注意到馬格列夫（Andreas Sigismond Marggraf）對甜菜等根莖類植物的研究（參考文獻4）。馬格列夫由甜菜根中萃取了蔗糖，不過甜菜糖正式量產要到1801年，那時候馬格列夫已經不在人世了。

雖然手邊的資料無法確定，究竟當時馬格列夫是為了什麼去研究萃取甜菜糖的方法（後來他的學生改良他的方法，使甜菜糖能在1801年開始量產），但如果他知道，當初那長在地上看來不起眼的植物的根，除了提供我們蔗糖以外，未來可能還能提供血紅素做為輸血的備品，他應該會覺得很欣慰吧！

參考文獻：
1. Serge N. Vinogradov and Luc Moens. 2008. Diversity of Globin Function: Enzymatic, Transport, Storage, and Sensing. The Journal of Biological Chemistry, 283, 8773-8777.
2. Nélida Leiva-Eriksson, Pierre A. Pin, Thomas Kraft, Juliane C. Dohm, André E. Minoche, Heinz Himmelbauer and Leif Bülow. 2014. Differential Expression Patterns of Non-Symbiotic Hemoglobins in Sugar Beet (Beta vulgaris ssp. vulgaris). Plant Cell Physiol 55 (4): 834-844.
3. Lund University. Sugar beets could become blood substitute.
4. Henry Hobhouse. Seeds of Change. Six plants that transformed mankind. Counterpoint.

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作者：葉綠舒　慈濟大學生命科學系助理教授，科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。