[馬家威] 迷人香氣和茉莉酸植物激素如何塑造植物微生相的平衡
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A schematic model how an upregulation of the jasmonate pathway affects plant microbiota interaction. Enhanced jasmonate signaling (right panel) results in microbial imbalance and overgrowth, forming a positive feedback loop (indicated by the red arrow) to fuel more jasmonate production. Due to the upregulation of the jasmonate pathway, plants are more resistant to pathogens like herbivore pests at the expense of reduced plant growth.
正如人類仰賴腸道微生物相來維持正常的消化功能與健康一樣，植物也需要健康的微生物相來維持日常運作。但當植物與其微生物相之間的微妙互動失衡時，會發生什麼情況呢？中央研究院植物暨微生物學研究所（IPMB）馬家威（Ka-Wai Ma）團隊在近期發表於《ISME Journal》的研究中，揭示了植物激素如何作為植物與微生物相互動的關鍵調控因子。
想像你經過花市時和茉莉花擦身而過，那甜美而獨特的茉莉花香難免讓人不由自主地沉醉其中。事實上，這些具有香氣的化合物與植物茉莉酸-異白胺酸（JA-Ile）在化學結構上十分相似。在植物界，茉莉酸兼具防禦與生長激素的功能。當毛毛蟲啃食植株時，植物體內的茉莉酸通道便會被激活，並動員適當的防禦機制來抵禦外敵。然而，這個耗能的防禦系統在正常條件下會受到嚴格調控，以在生長與防禦之間取得平衡。
研究人員對模式植物「阿拉伯芥」（Arabidopsis thaliana）進行篩選並尋找具有不同微生物相之突變體時，發現了一株在微生物相影響下呈現生長抑制的突變株，團隊發現其微生物總量高達正常值的 10 倍 (試想想台北現在的人口乘上10倍會是個怎樣的情境)。透過轉錄組與激素定量分析，研究團隊發現導致此失調現象的根本機制是一條被放大的正回饋迴路。當微生物相定殖植物時，會自然地引發茉莉酸的輕微上升。但在這個突變體中，這種反應變得更為活躍。同時，升高的茉莉酸訊號導致微生物相過度增殖，進而使茉莉酸訊號維持在較高的水平。
由於該突變體的茉莉酸通路已被重塑為過度活躍模式，研究團隊進一步測試在現實世界中它如何應對病害。透過加強茉莉酸通路，植物雖然增強了對昆蟲和某些病原體的防禦能力，卻付出了相應的代價：整體生長受阻。這項研究凸顯了一個關鍵的生物學概念：要打破「生長與防禦」之間的權衡極為困難。儘管如此，這對我們為何重要了？隨著現代永續農業的需求日益增加，把肥料、農藥等化學物質與有益微生物相相結合以調整相關的激素通道，或許是如何提升作物產量與抗逆性的解方。
「我們的研究表明，植物免疫系統並非單純地『開啟』或『關閉』那麼簡單。像茉莉酸這類激素，本身就像一個可作升降的按鈕，用來幫助植物應對逆境及調控其微生物相。釐清相關的回饋迴路，可以幫助我們構思如何打破『生長與防禦間的權衡』，並善用微生物相為作物帶來益處。」
本研究受國科會補助。研究論文第一作者為馬家威團隊的研究助理呂東澤及博士生米蓋利。