一、麩醯胺酸／麩胺酸的代謝與訊息傳導

麩醯胺酸(Gln)與麩胺酸(Glu)是植物將無機氮同化成有機氮的最初產物（圖一），細胞內所有含氮有機化合物，包括胺基酸、蛋白質、核酸等的氮源，幾乎都源自於這兩種胺基酸。除了營養與代謝，植物也可以利用Gln與Glu做為訊息分子。本實驗室主要是在研究Gln與Glu的代謝與訊息傳導，探討這兩種胺基酸在促進植物生長與防禦作用上的分子機制。

圖一、麩醯胺酸(Gln)與麩胺酸(Glu)對植物生長與防禦作用之影響。

阿拉伯芥麩醯胺酸／麩胺酸的代謝與調控

麩醯胺酸合成酶(Gln synthetase, GS)與麩胺酸合成酶(Glu synthase,GOGAT)是植物將無機的銨態氮轉化為有機氮Gln與Glu的主要酵素。我們以阿拉伯芥的gln2與glu1突變株為材料，研究葉綠體內的GS/GOGAT對植物生理與代謝的影響。另外，我們先前的研究發現了一群具有二至四個ACT domain的ACR (ACT repeat) 蛋白質，阿拉伯芥有十二個ACR蛋白質，其功能大多未知。目前已知ACR11可以調控葉綠體內GS/GOGAT的活性，我們將進一步研究ACR11的功能及其調控GS/GOGAT的作用機制（圖一）。

阿拉伯芥麩醯胺酸／麩胺酸的訊息傳導

我們最近的研究發現，以Gln或Glu做為唯一氮源時，除了可以幫助植物的生長與發育，同時也會誘導一些防禦基因的表現。因此，我們提出了一個假說:細胞外的Gln與Glu是營養氮源，也是一種“危險訊號”（圖一）。為了研究Gln與Glu是如何影響植物的“生長與防禦”，我們篩選出了一系列在以Gln或Glu為氮源時，生長發育會受到顯著影響的阿拉伯芥突變株（圖二）。我們將進一步找出造成這些突變的基因，研究他們的功能，深入探討這些基因在Gln/Glu的代謝與訊息傳導中所扮演的角色。

圖二、以Gln或Glu為氮源時，生長發育會受到顯著影響的阿拉伯芥突變株。

水稻麩醯胺酸／麩胺酸的訊息傳導

除了雙子葉的阿拉伯芥，我們以單子葉的水稻為材料，找到了一些會受到Gln或Glu快速且強烈誘導的基因。為了研究這些基因的功能，我們以基因編輯(CRISPR)的技術，製備了一系列的水稻突變株（圖三），我們將利用這些突變株來研究水稻基因的功能，探討Gln與Glu誘導基因表現的分子機制。結合阿拉伯芥與水稻的研究，我們希望能逐步瞭解Gln與Glu影響植物生長與防禦的作用機制。

圖三、水稻OsNRG1基因編輯的突變株，其生長狀況不如野生型。

二、植物維生素B1的生合成

我們之前從阿拉伯芥淡綠色突變株(pale1)的研究中，發現了PALE1 (又名THIAMIN-REQUIRING2, TH2)是維生素B1生合成途徑中的重要酵素（圖四）。利用水稻OsPALE1基因編輯(CRISPR)突變株的研究，也證明了該基因在水稻中的重要性（圖四），水稻維生素B1的生合成途徑應該與阿拉伯芥類似。我們除了繼續研究水稻與阿拉伯芥PALE1 (TH2)的生理功能之外，也利用基因工程的技術，致力於研發具有高維生素B1含量的水稻。

圖四、植物的TH2/PALE1是維生素B1生合成途徑中的一種酵素。