小草如何稱霸天下?

氣孔與保衛細胞。圖片來源:Wiki

撰文|葉綠舒

提到植物的氣孔(stoma),首先出現在腦海中的,應該是教科書裡面那由兩個腎臟形保衛細胞(guard cell)所包圍起來的氣孔吧?

其實這種由腎臟形保衛細胞所形成的氣孔,是雙子葉植物的專利。禾本科(Poaceae)的小草們的氣孔並不只有兩個保衛細胞;在它們的外側,還有兩個附屬細胞(subsidiary cells,簡稱 SC)。而且它們的保衛細胞也不是腎臟形,而是啞鈴形。

禾本科植物的氣孔構造。
外側淺綠色為附屬細胞,內側深綠色為保衛細胞。
繪圖:老葉。

過去的研究已經了解,附屬細胞並非與保衛細胞出自同源,而是在氣孔複合體(stomatal complex,包括保衛細胞、氣孔、附屬細胞)發育時,由保衛母細胞(GMC,guard mother cell)誘導位於它兩側的表皮細胞進行不對稱分裂,而後其中較小的細胞繼續發育形成附屬細胞;接著保衛母細胞進行最後的對稱分裂,產生成熟的保衛細胞,氣孔的發育便完成了。在二穗短柄草(Brachypodium distachyon,禾本科單子葉植物,與稻、麥、玉米等都是近親)中,有三個 bHLH 轉錄因子 (basic helix-loop-helix transcription factor)主導附屬細胞的形成:它們分別是 BdICE1BdSPEECHLESS1 (BdSPCH1)與 BdSPCH2。這三個基因在擬南芥(Arabidopsis thaliana,雙子葉植物)也存在,但是雙子葉植物的氣孔並沒有附屬細胞。

附屬細胞對氣孔的功能重要嗎?過去的研究認為,附屬細胞或可提升氣孔開閉的效率,從而使得單子葉植物在生存競爭上較具優勢。為了要了解附屬細胞是如何形成的、以及附屬細胞是否真的對氣孔的功能有影響,美國的研究團隊在二穗短柄草裡找到了無法形成附屬細胞的突變株(sidsubsidiary cell identity defective),隨即找到 sid 基因:BdMUTE。擬南芥的 MUTE 基因(以下簡稱為 AtMUTE )在2007年已經被找到,也知道它是一個與保衛母細胞形成有關的 bHLH 轉錄因子。研究團隊再以基因編輯法將 BdMUTE 破壞,得到與 sid 相同的性狀(氣孔只剩下兩個保衛細胞);而當他們把 BdMUTE 轉殖回去突變株,突變株便呈現正常的性狀,顯示了這個基因的確就是導致附屬細胞無法形成的「元兇」。

既然擬南芥也有 MUTE,但是雙子葉植物沒有附屬細胞;那麼 BdMUTE 跟擬南芥的 AtMUTE 有什麼不同呢?研究團隊發現,高量表現 BdMUTE 會造成具有多層附屬細胞的氣孔,顯示了它的確對於形成附屬細胞很重要。以黃色螢光蛋白(YFP)連結上 BdMUTE 觀察後發現,它不只是表現在保衛母細胞中,也會出現在附屬母細胞以及早期的附屬細胞裡面。由於不論是 BdMUTE 或是 AtMUTE 都是個很小的蛋白質,通過胞間通道(plasmodesmata)應該沒有問題,於是研究團隊決定將這兩個基因前面的啟動子(promoter)交換,看看究竟是啟動子決定了蛋白質的去向,還是蛋白質自己才重要?

結果發現:裝上了 BdMUTE 啟動子的 AtMUTE 還是只出現在保衛母細胞中,而裝上 AtMUTE 啟動子的 BdMUTE 則可出現在保衛母細胞與附屬母細胞內。而且裝上了 BdMUTE 啟動子的 AtMUTE 也無法使缺少 BdMUTE 的植物恢復正常,顯示主要影響 BdMUTE 在細胞內的位置的因素在蛋白質本身。至於究竟是哪一段序列重要,有待後續的研究。

既然找到了不能產生附屬細胞的二穗短柄草,研究團隊當然也進行了不少測試,想了解缺少附屬細胞是否對氣孔的功能有影響?結果發現,少了附屬細胞的氣孔,在低二氧化碳、高濕度與飽和光照的狀況下,氣孔與野生種相比只開了一半;事實上,即使用了可以強迫氣孔完全張開的殼梭孢菌素(fusicoccin),也只能讓氣孔打開一半!

接著研究團隊測試野生種與突變株對於光強度變化的反應。他們先將植物以接近飽和光照照射一段時間,再降低光的強度到原來的四分之一來模擬突如其來的陰影,過一段時間後再提升到原來的強度,然後再模擬太陽下山,這樣來觀察氣孔開閉的變化。結果發現:野生種可以靈活地隨著光強度的提高與降低而開閉氣孔,但突變株卻顯得相當遲鈍。

氣孔無法全開又反應遲鈍,對植物的生長是否有影響呢?答案是肯定的。研究團隊發現:五週大的突變株的重量比野生種少了約三分之一,氣孔無法完全張開也造成擴散能力受限,使得突變株體內有較多的碳13。所以,過去許多研究團隊推測附屬細胞可使氣孔開閉的效率提升,從而提高禾本科植物的競爭力,在這個研究中得到了有力的證明。或許就是因為有了附屬細胞,使得禾本科植物在三千到四千萬年前全球氣候轉為乾燥時,不但能夠成功地熬過去,還可以到處散播並進一步演化出更多不同的新種呢!

 

參考文獻:

Michael T. Raissig et. al., Mobile MUTE specifies subsidiary cells to build physiologically improved grass stomata. Science 17 Mar 2017: Vol. 355, Issue 6330, pp. 1215-1218 DOI: 10.1126/science.aal3254

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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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