乾旱相關的訊息傳遞和代謝

對農產業來說，植物耐旱是個重要的議題，也因為氣候變遷所造成破壞性的影響而更被重視。植物在乾旱下對水分的減少有著複雜的偵測與反應機制。由於我們仍不清楚植物如何感知缺水和啟動分子機制以適應環境並維持產率，基礎上與應用上增加經濟作物表現量的研究受到了限制。同時也有許多代謝上的改變發生在乾旱逆境下，游離的脯胺酸累積是其中最常見的。然而脯胺酸的代謝角色與其它抗旱的代謝轉變則仍不清楚。
韋保羅實驗室長期的目標是想了解仍未知的乾旱感知能力與訊息傳遞機制以及更深入地了解適應乾旱環境的代謝轉變(特別是脯胺酸代謝)及其調控。我們同時也在努力將此新機制的知識應用於改善其它植物。本實驗室專精於逆境控制測試與乾旱生理學，以及應用分子基因體學與細胞生物學技術作為研究植物逆境的方法。我們同時也與對植物逆境與代謝感興趣的定量基因體學家和生物化學家保持著合作關係。

韋保羅實驗室主要的三個互相關聯與作用的研究目標：

1.脯胺酸的逆境代謝功能及其調控。

我們試著去找出脯胺酸代謝(圖1)在乾旱逆境中是如何作出貢獻(Sharma et al., 2011; Bhaskara et al., 2015)，並以脯胺酸作為乾旱感知和訊息傳遞的指標。在正向遺傳學篩選出的突變株中所發現的基因在脯胺酸去氫酶啟動子:螢光報導基因(Proline Dehydrogenase1 (PDH1) promoter:Luciferase reporter，圖2)上有著不同的表現(圖1)，同時研究也發現脯胺酸合成酶P5CS1在適應乾旱環境時是如何轉變與調控植物代謝。尤其有數個特別的品系證實了更多脯胺酸所扮演的代謝角色可改變細胞中的氧化還原狀態及胞器(葉綠體及粒線體)代謝。

圖1: 脯胺酸代謝的主要途徑。P5CS1與ProDH1 (PDH1)是脯胺酸合成與分解的關鍵逆境調控酵素。

圖2: 突變株幼苗改變脯胺酸去氫酶啟動子:螢光報導基因之螢光酶表現圖。脯胺酸去氫酶1的表現在逆境下被抑制；然而此突變株在控制組與逆境條件下皆維持著高度脯胺酸去氫酶啟動子:螢光報導基因表現(紅色處)。此突變株與其它經篩選出類似的突變株在逆境下脯胺酸累積量皆有增加。脯胺酸去氫酶啟動子:螢光報導基因表現量減少的突變株也在此篩選中挑選出來並加以檢視。

2.乾旱相關的訊息傳遞機制

我們找出了AFL1(Kumar et al. 2015)以及磷酸化和細胞骨架機制等在乾旱下會促進生長的關鍵因子(圖3)。AFL1的機制以及其它經磷酸蛋白質體學與脯胺酸去氫酶啟動子:螢光報導基因篩選所找出的乾旱訊息傳遞機制也正在研究中。

圖3: 乾旱下影響植物生長的新細胞機制。

3.乾旱環境適應下的自然變異表現型

乾旱導致脯胺酸累積的阿拉伯芥品系的變異中，我們找出了數個可能使得脯胺酸累積及適應乾旱的基因座(Verslues et al., 2014; Sharma et al., 2013; Kesari et al., 2012)(圖4)。目前我們正對乾旱導致的離層酸(abscisic acid; ABA)累積使用類似的方法研究中。

圖4: 不同阿拉伯芥品系的P5CS1內插子序列決定了P5CS1 後續的選擇性剪接。此變異與在不同水量下造成脯胺酸累積及環境適應的不同有所關聯。此圖來自Kesari等人，2012。