Wong et al., 2019 PNAS

植物用於感知和傳遞非生物性逆境的機制尚未完全了解,但對於在乾旱與其他環境逆境時期下的植物產量具有重大影響。蛋白質磷酸酶2Cs (PP2Cs)的A分枝為逆境荷爾蒙離層酸之核心訊息傳遞路徑的一部分,調控著許多植物逆境反應。在之前的研究中,韋保羅實驗室注意到PP2C的A分枝高度離層酸誘導1(HAI1)對乾旱表現型,例如生長和脯氨酸累積,具有特別顯著的影響(Bhaskara et al., 2012)。為了分析HAI1如何影響乾旱反應,對hai1-2突變株在非逆境條件下或以低水勢 (乾旱)處理植物後,進行磷酸蛋白質體學分析(Wong et al., 2019 PNAS)。此實驗發現hai1-2蛋白中磷酸化胜肽的豐度增加超過100個,說明這些位點的磷酸化狀態可能由HAI1透過HAI1所調控的激酶所直接調控。進一步實驗針對At-Hook Like 10蛋白,一種位於細胞核、未知功能的DNA結合蛋白,發現其可能被HAI1直接去磷酸化。在我們的蛋白質體學分析中所發現的S314磷酸化位點,對AHL10調控低水勢逆境下的生長和基因表現至關重要,並且AHL10複合體形成細胞核焦點時也需要它。透過找出HAI1所影響的磷酸蛋白以及功能上重要的AHL10磷酸化位點,這些結果闡釋了HAI1與AHL10的功能,並且也證明植物用於平衡最大生長和對環境逆境強韌反應的一種機制。

Chen et al, PNAS 2018

       「光」不僅可以有效的讓植物行使光合作用,把光能轉為化學能並以醣類形式儲存。「光」也是一種環境訊息,讓植物能因應環境的變化而做出最合適的型態改變,例如子葉的開合。在之前的研究中,我們發現在黑暗中生長的阿拉伯芥白化苗( etiolated seedling),在照射白光四個小時後,數千條信使RNA (mRNA) 的轉譯效率會大量提升,但相關的驅動機制仍屬未知。

         吳素幸研究團隊的陳冠宏博士發現:光驅動轉譯作用需要透過一系列訊息傳遞來完成,其中包含光受器(photoreceptor),E3 泛素連接酶 (CONSITITUTIVE PHOTOMORPHOGENEIS 1, COP1),植物荷爾蒙生長素 (Auxin),target of rapamycin (TOR) 和核糖體蛋白 S6 (Ribosome protein S6, RPS6)。在植物幼苗去白化 (de-etiolation)的過程中,遠紅光和藍光可以活化各自的光受器包括 phytochrome A 和 cryptochromes 去抑制 COP1 活性,並藉由 Auxin訊息傳導路徑活化TOR後,達成 RPS6 的磷酸化。陳博士的研究也發現:光促進轉譯作用在 tor 突變株明顯受到抑制,黑暗中生長的 torrps6 的突變株在照光後,子葉打開的速度也明顯較野生型幼苗來得遲緩。這些結果連結了一條全新的光訊息傳導路徑與與轉譯作用的調控,確保植物接收到光線刺激後,如何從暗型態發生的發育型態,迅速而且有效地轉化為光型態發生,確保植物幼苗的環境適應力。 (Chen et al, PNAS 2018)

https://www.pnas.org/content/115/50/12823.long


2019/2/13「認識中研院植微所活動」

時間: 2019年 2月 13日 (星期三),上午10:00-下午16:00

地點: 中央研究院農科大樓A134會議室 (交通請自理)

對象: 舉凡生命科學、農業科技相關科系的大學生歡迎參加

採線上報名,申請期限:2019年1月31日下午5:00止。

Liu et al., 2018, Plant Physiology

在多數真核生物中,磷脂醯膽鹼為主要的磷脂質。然而,植物是否需要合成磷脂醯膽鹼依然尚未明瞭。由中村友輝博士所領導的團隊證實,阿拉伯芥中磷脂醯膽鹼的生合成需磷酸基甲基轉移酶的三個同功酶(PMT1 PMT2 PMT3)同時存在。將三個同功酶之基因同時剔除的植株無法合成磷脂醯膽鹼。此植株雖可發芽,卻有非常嚴重的發育缺陷。本研究結果顯示,自170年前首次從蛋黃中被發現以來,磷脂醯膽鹼的生合成對於植物的後胚胎發育扮演不可或缺的角色。

Hsieh et al., 2018, RNA Biology

圖一、異位表現阿拉伯芥的粒線體基因nad7可以恢復slo3突變株的生長與發育。

 

阿拉伯芥的slo3 突變株被認為是因為粒線體內 nad7 intron 2的剪接受到影響,以致Complex I 的活性降低,進而影響到植物的生長與發育。謝明勳老師實驗室利用異位表現粒線體基因的技術,將經過正常剪接的nad7基因,轉殖到slo3 突變株的細胞核內,結果發現slo3 的Complex I 活性、植物的生長與發育都恢復了(圖一)。SLO3是PPR蛋白家族的成員,此研究成果首次證明了植物ppr 突變株的性狀,的確是因為粒線體基因的表現受到破壞所造成。本論文最近發表於RNA Biology,作者包括謝瑋育與林桑竹等人。

Wang, Yu et al., 2018

賴爾珉實驗室先前為阿拉伯芥幼苗開發了一種高效的農桿菌的暫時性表現系統,命名為AGROBEST (1)(Wu et al, 2014)。 該實驗室進一步探討了該系統的原理,並在最近Scientific Reports發表 (2)(Wang, Yu et al., 2018) 。 研究發現保持穩定的酸性環境可以抑制阿拉伯芥幼苗的免疫反應,使農桿菌更容易感染幼苗,因此高效率表達T-DNA中攜帶的外來基因。 作者進一步說明穩定的酸性環境可以抑制由pathogen-associated molecular patterns(PAMPs)誘導的鈣攝取,也可能就是免疫反應抑制的主因。 作者希望通過這些研究成果來提高一些較難進行基因轉殖或遺傳背景知識有限的植物的轉殖效率。

Hou et al., 2018, PNAS

圖:阿拉伯芥三染色體與多倍體中的基因表現模式。

各直方圖中的X軸代表基因在該植株中與在對照組中的表現量比值,Y軸為出現頻率。三染色體中的分佈範圍較廣,最高點座落在1.0~1.5之間,代表dosage effect的發生,且有較多的值低於0.67,表示inverse effect亦存在。而多倍體中的分佈較為集中,座落在0.5~1.0之間,顯示遺傳失衡對於多倍體中的基因表現影響較小。

 

相較於染色體全數增減(整倍體),染色體數量不均衡增減(非整倍體)對於外表型有更嚴重的影響。為了研究這些差異,我們分析多種基因體數目歧異的阿拉伯芥,測量其成熟葉片組織的基因表現,包含五種三染色體(trisomy)、 二倍體(對照組),三倍體以及四倍體。我們發現三染色體植株比多倍體植株有著更廣泛的基因表現調節,三染色體發生的染色體上,基因表現的變化範圍在與二倍體等同(dosage compensation)至3/2倍(dosage effect)之間。而其他染色體上的基因表現變化範圍則由等同到2/3倍(inverse effect)。我們同時研究了各變異株全基因體DNA甲基化的受影響的情形,其中三染色體發生在第四對染色體的植株有著最顯著的DNA甲基化變異,而其他變異株的變化則不大。由此我們推論遺傳失衡的形成機制與DNA甲基化無一般關係。以基因的功能類別分析,核醣體基因,蛋白酶體基因以及基因本體被甲基化的基因表現所受的影響較少,而轉錄因子、訊息傳遞以及胞器中的蛋白質基因表現則受到較多inverse effect的影響而降低表現。在三染色體的植株中,轉錄因子與其所調控的基因在基因表現上呈現高度不一致性,說明這種化學計量調節失衡是遺傳失衡的主要原因。經重複分析已發表的二倍體酵母菌和三染色體小鼠細胞中的基因表現,發現化學計量調節失衡效應廣泛,說明此現象本身是一般的基因調控過程。

Grillet et al., 2018, Nature Plants

鐵(Fe)是一種必需的礦物質營養元素,如果沒有足夠的量供應,會嚴重影響植物的生長,產量和營養價值。施臥虎老師的研究團隊在植物中發現了一個新的胜肽家族,將其稱之為IRON MANIMA,並表明它們是從土壤中攝取鐵(一種必需的礦物質營養素)的必要基因。藉由CRISPR-Cas9的基因剪輯技術使阿拉伯芥中所有的8個IMA基因靜默得到非常小,極度黃化表徵的植株,此植株如果沒有適時的提供足夠的鐵就沒法存活。IMAs存在於所有開花植物的基因組中,但在蕨類植物,藻類或真菌中缺失,因此推測IMA出現在陸地植物進化的早期階段。利用野生型植株和8個IMAs基因皆被靜默突變植株相互嫁接的實驗可以得知在地上部的IMA1胜肽可以正向調控根部的鐵攝取,推測IMAs可以傳導植物葉子中鐵含量的狀態之訊息到根部進而增強根部吸收鐵的效率。IRON MAN的發現為生產富含鐵的植物開闢了一條新途徑,並為人類對抗最大的營養疾病之一:缺鐵所導致的貧血開創了一個遠景。