植物的側根如何「遇水則發」?

撰文|葉綠舒

植物不會動,所以對外界的刺激更敏感。從達爾文父子開始,科學家們不但知道植物的頂芽對單側光會產生反應,讓它朝向光來的方向彎曲;也知道這部分的反應與生長素(auxin)有關。事實上,不只是植物的頂芽對外界的刺激會產生反應,許多研究也發現植物的根部在接觸到水分時,會往水分較多的一側長出更多的側根(這個反應被稱為hydropatterning)。

來自英國的研究團隊,對於植物根部這「遇水則發」的反應機制非常感興趣。由過去的研究得知,接觸到水分的根部一側會合成較多的生長素;也就是說生長素擔任了「遇水則發」反應的第一棒。那麼,接下來是誰接下一棒呢?

研究團隊想到眾多的「生長素反應因子」(ARF,auxin response factor)。生長素反應因子是一群轉錄因子,負責調節與生長素相關的基因們的表現;所以下一棒很可能就是它們。擬南芥裡面總共有五個生長素反應因子,研究團隊一一找到了它們的突變株、檢視是否有哪個突變株的側根無法「遇水則發」;結果他們找到了 ARF7。

所以第二棒是 ARF7,那麼下一個又是誰呢?研究團隊再接再厲,發現 LBD16 這個與調節側根生長相關的基因可能是第三棒。隨後他們也發現,lbd16 突變株的側根不會「遇水則發」。

看情形 LBD16 可能真的是第三棒了,不過研究團隊還想知道更多細節。過去在玉米的研究中發現,類似 LBD 的基因在接觸到水分的一側表現量比另一側要高很多(不對稱表現);擬南芥是否也有類似的情形呢?於是研究團隊把 LBD16 的啟動子(promoter)接在綠色螢光蛋白(GFP)的前面(gLBD16-GFP),以觀察 LBD16 是否會有類似玉米 LBD 基因的情形。

結果發現不僅 LBD16 有類似的情形,這個現象還需要 ARF7 存在才能完成。怎麼說呢?原來研究團隊在 arf7 突變株中轉入 gLBD16-GFP,卻看到綠色螢光均勻地出現在根部有水與無水的兩側。更有趣的事情是,研究團隊發現,在植物內高量表現 LBD16 無法救回 lbd16 突變株不能「遇水則發」的表型;反而將 LBD16 放在它原本的啟動子後面,卻能夠讓 lbd16 突變株再度有「遇水則發」的側根。

既然 ARF7 是第二棒,研究團隊很好奇 LBD16 的不對稱表現是否來自於 ARF7 的不對稱表現呢?結果讓研究團隊失望了,ARF7 並沒有不對稱表現的狀況,在植物內高量表現 ARF7 可以完美救回 arf7 突變株植物側根不能「遇水則發」的問題。

雖然這結果看來有點令人灰心,不過研究團隊卻想:會不會是轉錄後調節機制呢?他們仔細察看了 ARF7 基因,發現裡面有四個 SUMO 化的位點。SUMO 是小分子類泛素修飾蛋白(Small Ubiquitin-like Modifier)的簡稱。透過酵素的作用,SUMO 會被加到蛋白質(如ARF7)上,從而改變它與不同的蛋白質互動的情形。

是否 ARF7 與 LBD16 之間的互動與它的 SUMO 化相關呢?研究團隊將 ARF7 上面這四個可能的 SUMO 化位點全部改變、使它們不能被 SUMO 化,再放回 arf7 突變株植物裡。結果發現,不能被SUMO 化的 ARF7 無法救回 arf7 突變株植物「遇水則發」的表型,而且觀察也發現,不能被 SUMO 化的 ARF7 不僅無法讓 LBD16 不對稱表現,而且雖然可以被 SUMO 化的 ARF7 能與 LBD16 的啟動子結合,但是不能被 SUMO 化的 ARF7 與 LBD16 啟動子結合得更緊密。也就是說,ARF7 的 SUMO 化讓自己與 LBD16 啟動子的結合減弱。

到這裡其實已經可說是「真相大白」了,但是研究團隊還想找出更多牽涉到 ARF7 與 LBD16 互動的角色。過去的研究發現,ARF7 的活性受到 IAA3 蛋白的抑制;於是他們觀察了 iaa3 突變株(稱為 shy2),發現它也缺乏側根「遇水則發」的表型!

也就是說,整個故事可能是這樣的:當植物的根部兩側水分分佈不對稱時,較缺水的一側的 ARF7 會被 SUMO 化,接著 SUMO 化的 ARF7 與 IAA3 結合,使 ARF7 降低與 LBD16 的啟動子結合,於是這一側 LBD16 的量就大為減少,水分較充足的另一側因為 ARF7 未被 SUMO 化、IAA3 不會跟 ARF7 結合,造成 LBD16 較多,於是側根就從水分較多的一側長出來了。

這個故事要成真,不可或缺的就是 IAA3 要能夠與 SUMO 化的 ARF7 結合。研究團隊以「拉下」實驗(pull-down)證明了這兩個蛋白質的確能結合,而且不能 SUMO 化的 ARF7 就無法「拉下」IAA3,進一步證明 ARF7 的 SUMO 化對它和 IAA3 的互動有很大的影響。

生長素是非常重要的植物賀爾蒙之一,過去許多研究已經讓我們瞭解,生長素與趨光性、趨地性、頂芽優勢、不定根的發育等等生理反應都息息相關;由於到目前還不能找到完全無法感應或合成生長素的突變株,生長素被認為是兩個植物不可或缺的賀爾蒙之一(另一個是細胞分裂素)。這個研究發現讓我們再次體認到生長素對植物發育的重要性,大概也不意外吧!

 

參考文獻:

Beatriz Orosa-Puente et. al., 2018. Root branching toward water involves posttranslational modification of transcription factor ARF7. Science. 362(6421): 1407-1410. DOI: 10.1126/science.aau3956

 

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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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