小草如何稱霸天下？

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。

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 BdICE1，BdSPEECHLESS1 (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（sid，subsidiary 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。