【繽紛生態】植物也會用神經傳導物質GABA?

7dc20be6d273491397918a7f1b80d68f撰文|葉綠舒

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,許多從事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,當時許多新進的博後們紛紛表達意願要投入芸苔素的研究,真的是好熱鬧!

而最近,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!

GABA。圖片來源:wiki
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(Al3+)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個氨基酸以外,這兩種受器之間的相似性很低。當然,考慮到這兩種受器在個別生物體中擔任的是不相同的功能,或許也不能說太意外。有意思的是,當研究團隊把這12個氨基酸的序列進行個別變異時,發現突變的ALMT1對GABA以及蠅蕈素的親和力都下降200-300倍了;不過,這些變異的ALMT1還是能被三價鋁離子活化!

在一九四七年,研究植物的科學家們便在馬鈴薯中找到了GABA,後來也發現植物確實會合成GABA;只是,除了知道環境壓力會造成植物合成更多的GABA之外,一直無法找到GABA在植物中擔負的角色。現在發現了ALMT1,是否意味著GABA對植物發育是個重要的角色呢?這就有賴後續的研究了!

參考文獻:
Matthew Gillham et. al., 2015. GABA signalling modulates plant growth by directly regulating the activity of plant-specific anion transporters. Nature Communications. doi:10.1038/ncomms8879

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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。

 

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