At14a-Like1（AFL1）參與膜相關機制以促使阿拉伯芥模式植物於乾旱逆境中之生長
摘要
乾旱已經嚴重影響全球的農業生產力，然而目前對於植物如何感測乾旱、如何在逆境下調控生長所知仍有限。我們以阿拉伯芥模式植物為研究對象，證實一種名為AFL1的膜相關蛋白，對植物乾旱抗性表現具有影響力。在逆境下AFL1表現的增加會使植物增加生長；在非逆境下AFL1的表現則對植物沒有負面影響。轉錄組分析結果顯示：AFL1可能藉由抑制負調節基因而促使植物生長。此外，由AFL1的結構、位置以及與網格蛋白輕鏈的交互作用判定，AFL1極可能參與胞噬作用中囊泡形成及運輸的機制。我們的研究結果發現：在植物的乾旱訊息傳遞中，AFL1是一個全新的、與膜相關的逆境感測訊息傳遞分子。
乾旱限制了植物可由土壤中所利用的水份，並造成許多在基因表達、代謝及生長的改變。以作物而言，乾旱所造成的水份限制嚴重導致農業生產力的損失。乾旱是最嚴重、影響全球農業生產力的因子之一。然而，目前對於植物在乾旱中如何調節生長及代謝所知有限，也因此阻礙了提升植物抗逆性的嘗試。
膜相關蛋白可能涉及植物對乾旱逆境的感知及早期訊息傳遞；然而，這些蛋白質和訊息傳遞機制仍有待證實。由於乾旱逆境會誘導At14a-Like1（AFL1）的表達，而且AFL1可能具有膜信號蛋白的功能，我們進而研究AFL1在逆境中的功能。在乾旱逆境中，AFL1的過量表達導致阿拉伯芥模式植物增加生長，並積累適應逆境保護代謝物脯氨酸，而對未受逆境的植物則無負面影響（圖1）。反之，抑制AFL1表現使植物對於受水限制而導致的生長抑制更加敏感，且使得脯氨酸無法積累。基因表達分析顯示：增加AFL1表達導致乾旱期間許多其他基因的表達減少。因此，AFL1可能透過下調在乾旱逆境中抑制生長的基因，進而促進植物生長。
圖1：AFL1促進植物在逆境下生長，而對非逆境中的植物無害。經過十天生長於無逆境或中度低水勢（乾旱）逆境（-0.7兆帕）的野生型（Col）及AFL1過量表達株（AFL1 O.E.）之阿拉伯芥幼苗。AFL1過量表達促使幼苗在這兩個條件下生長，其影響在逆境下更為顯著。比例尺= 1厘米。
在此研究之前，AFL1蛋白的細胞功能仍未被鑑定。我們以研究AFL1相互作用的蛋白質作為一種方式，進而瞭解AFL1的分子功能。AFL1與參與囊泡形成的轉接蛋白2-2A（AP2-2A）相互作用，顯示其參與質膜囊泡之內噬作用的可能性。與此一致，我們觀察到AFL1在質膜上與網格蛋白輕鏈（CLC）共同定位，顯示其參與囊泡形成的可能性（圖2）。除了在質膜的定位和功能，AFL1亦與內質網蛋白PDI5和NAI2相互作用；以pdi5和nai2突變株的分析發現，這兩個內質網蛋白於乾旱期間負向調節植物生長。因此，AFL1對植物生長和抗逆境的作用，可能涉及其在質膜及內質網的功能（圖3）。了解這些AFL1功能是本實驗室目前繼續研究的課題。
圖2：AFL1 與網格蛋白輕鏈（CLC）共同定位顯示其於質膜囊泡內噬作用的可能性。共軛焦顯微圖像中，綠色螢光為AFL1，橙色為CLC，而藍色則為這兩種蛋白的共同定位區。 AFL1-CLC共同定位在像囊泡的顆粒邊緣，或在質膜邊緣、囊泡形成（由箭頭標記）早期階段的位點。比例尺= 5微米。
圖3：AFL1蛋白相互作用及定位之摘要圖。AFL1是一個位於質膜及內膜的周邊膜蛋白。在質膜，AFL1與AP2-2a 相互作用並與CLC共同定位，顯示其參與囊泡形成。在內膜，AFL1與PDI5和NAI2（應對乾旱的生長負向調控分子）相互作用。總之，AFL1的這些角色皆對乾旱逆境中植物生長有巨大的影響。
此機制分析顯示：AFL1以異於已知的抗旱信息傳遞機制來影響植物的抗旱能力。這也與【植物在面對輕度逆境時，以過度下調其生長來應備更嚴重的土壤乾旱及水資源限制作為一個保守的策略】之假設一致。為了提高植物在乾旱中的生長，以讓植物失去這種負調控機制為策略，可能比應用植物外源基因表達的生物技術更被大眾接受。無逆境時，AFL1過量表達並不抑制生長，因此避開了一般植物逆境研究的問題。目前，我們在測試AFL1的表達是否於其他植物物種中亦可增加逆境生長。這是評估使用AFL1 來改善重要經濟作物之抗旱性的第一步。
Proceedings of the National Academy of Sciences USA 112 (2015): 10545-10550.
DOI: 10.1073/pnas.1510140112