幫植物留住水分,關鍵「肽」重要!

■植物無法自主脫離不適合生存的環境,因此它們必須不斷感受及監測環境的變化,做出自我調節,以求在生存條件改變時能存活下來。而植物是如何感受到乾旱或寒冷等外在威脅的呢?

CLE25有效幫助植物減少水分散失。(三組中左邊兩組為缺乏CLE25突變株。上方圖為缺水前,下方為缺水後再補充水分。缺少CLE25的突變株無法恢復活力)

編譯|趙揚光、陳雅婷

在動物體內,由胺基酸組成的肽類激素(Peptide hormones),透過在血液中移動,進而幫助動物於外界環境變化時得以保持體內平衡狀態;植物同樣會面臨環境變化,並透過植物激素來調節因應。近期日本理化學研究所屬單位(RIKEN CSRS)在相關植物研究上有了新進展:研究人員發現一種小分子的肽類激素,在植物所在的土壤缺乏水分時,可以防止植物本身的水分散失。

這種源於植物根部的肽類激素稱做「CLE25」,是植物CLE多肽激素家族成員之一,在植物生長發育過程中,CLE多肽激素扮演了細胞間訊息傳遞的重要功能。此次研究的亮點─「CLE25」,首次被發現能在植物缺水時,從根部移動到葉片,以減少葉片表面氣孔的開放,進而防止水分繼續流失。發表此成果的RIKEN研究員Fuminori Takahashi指出,過去植物學家們對於植物中肽類激素的主要認知,乃具有調節細胞發育的功能,尚未有研究證實當植物面臨非生物逆境時,肽類激素扮演的功能角色。也因為這樣的突破性發現,使得RIKEN的這項研究登上2018年4月的 Nature 期刊。

此項研究以模式植物──阿拉伯芥為研究材料。由於目前的研究已知,當植物面臨乾旱環境時,會誘發體內ABA含量上升,促使葉部之保衛細胞鉀離子流出,進而降低膨壓以關閉氣孔,減少水分流失。因此,RIKEN CSRS研究團隊測試了27種CLE多肽激素,觀察每一種誘導ABA的合成效果。結果發現,只有CLE25能誘導葉片裡的ABA合成,促使氣孔閉合;再細究其原因,他們發現CLE25可活化NCED3基因表現,而該基因正是生成ABA所必需的!此外,研究團隊也進一步驗證了在水分缺乏的狀態下,植物根部中的CLE25含量亦有所增加。

那麼,CLE25 是否只在根部生成或作用呢?它是否跟著植物的循環系統一同移動?由於多肽激素在活體細胞當中的含量很小,檢測非常困難,為釐清此論點,研究團隊特地開發高靈敏度質譜系統,以能夠識別從根部移動到枝葉的多肽激素,並加以標記出CLE25分子,觀察它們從根到莖、乃至葉的移動路徑。結果顯示,在缺乏水分的環境下,CLE25於根部生成後會移動至葉片,與其受體BAM1及BAM3結合,進而誘導ABA合成。研究團隊也進一步以缺乏CLE25的突變株進行驗證,發現同樣在缺水時,缺乏CLE25的突變株葉片中,ABA含量比正常植物減少了近7倍,從而導致更多水份流失。

上述研究結果揭示了CLE25多肽激素在缺水環境下扮演的功能,但這顯然只是開端,研究團隊也同時注意到阿拉伯芥的CLE25基因序列,與其他重要農作物相同,包括水稻、玉米、甜菜等。眾所周知的是,一旦植物面臨了缺水逆境,最直接的影響將會是作物產量,因此Fuminori Takahashi表示,基於這項研究成果,RIKEN CSRS研究團隊將會再努力研究改良肽類激素,藉以培育抗旱物種。期待未來,只須將多肽激素撒入肥料中即可發揮功能,增強田間作物面臨極端環境下的韌性!

 

原文研究:Newly discovered hormone helps keep plants from dehydrating

 

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