圖片來源:PNAS 歷史上的兩面作戰好像都是以失敗居多。不過,我們今天不是要來討論歷史上的兩面作戰,而是要來看植物--或者說番茄--能不能兩面作戰? 在2020年,美國的研究團隊以番茄為模式植物,研究番茄能不能同時抵抗兩種不同的壓力:蟲咬/受傷與高溫。 研究團隊首先對番茄植物進行昆蟲取食和機械傷害處理,然後將這些植物暴露於攝氏38度的環境中。透過測量植物葉片的溫度和氣孔行為,研究人員發現受傷的植物在高溫環境下的蒸發冷卻能力顯著降低,包括「偏下生長」(hyponasty,指的是葉片向上彎曲生長的現象,植物利用這個方式來散熱)的程度減少以及氣孔開放度下降。 圖片來源: 維基百科 由於植物被蟲咬或受傷時,會釋放茉莉酸(JA,jasmonic acid),而茉莉酸會透過COI1受器來造成氣孔關閉;所以研究團隊就想,他們觀察到的這個現象,會不會也是透過同樣的路徑呢? 於是研究團隊找了COI1缺失的突變株來進行實驗。結果發現,COI1缺失的突變株在高溫條件下恢復了偏下生長與氣孔開放,進一步證實了JA信號在調節植物對高溫的敏感性中的作用。 過去的研究發現,熱休克蛋白HSP90透過穩定COI1蛋白,進而增強JA信號的傳遞。而當研究團隊使用HSP90的抑制劑時,植物就算受傷,在高溫下還是能進行偏下生長與氣孔開放來散熱。 總而言之,當植物被蟲咬或受傷時,因為茉莉酸分泌啟動防禦途徑,而防禦途徑啟動造成氣孔關閉與偏下生長抑制,使得植物耐高溫的能力下降;而這個現象意味著,在當前全球暖化的環境中,農作物會變得更脆弱! 參考文獻: Havko NE, Das MR, McClain AM, Kapali G, Sharkey TD, Howe GA. Insect herbivory antagonizes leaf cooling responses to elevated temperature in tomato. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Jan 28;117(4):2211-2217. doi: 10.1073/pnas.1913885117. Epub 2020 Jan 21. PMID: 31964814; PMCID: PMC6994973.
圖片來源: 維基百科 根毛對植物的水分與養分吸收非常重要,他們增加根的表面積,促進水分與養分的吸收[1]。過去的研究知道,轉錄因子、植物荷爾蒙、蛋白質都會影響根毛的發育。 根毛對植物的影響,依不同的植物有所不同。研究發現,比較長的根毛對植物的影響比較大。在穀物中,大麥的根毛比較長,而水稻與玉米的根毛比較短。 自從農業機械發明之後,「土壤壓實」的問題就開始出現。土壤壓實是一種常見的土壤物理問題,通常由於外力作用導致土壤顆粒緊密排列,減少了土壤孔隙率。這種現象會對植物的生長帶來負面影響,因為它降低了土壤的透氣性和滲透性,增加了根部穿透的難度。 土壤壓實對植物生長的負面影響主要表現在限制了根部的生長空間、降低了土壤的空氣和水分流動性,並可能阻礙營養物質的吸收。因此,在管理農田和綠地時,採取措施防止土壤壓實是非常重要的。這可能包括限制重型機械使用、適當的放牧管理、保持良好的土壤水分條件等策略。 由於土壤壓實是無法避免的問題,有科學家就想了解,根毛能不能穿透壓實的土壤,幫助植物吸收水分與養分呢? 為了研究這個問題[2],研究團隊開發了用瓊脂模擬壓實土壤的系統。他們使用低濃度的瓊脂(1%)模擬較軟的土壤層,使用高濃度的瓊脂(3%)來模擬壓實層。為什麼不直接用土壤,主要是因為要定量土壤壓實的程度比較困難,而且從土壤中取出植物的根,很難不傷及根毛。 研究團隊發現,當水稻根部遇到壓實的土壤時,生長素(auxin)的合成會上升,並透過 OsAUX1 這個生長素運輸蛋白從根尖運輸到根毛區域,進而促進根毛的伸長,增強根部的錨定力和穿透能力。 他們觀察到,一個稱為 OsYUC8 的生長素生合成基因,在根尖遇到壓實的土壤時,其表現量會上升。使用使用生長素報告基因也看到,根尖在遇到壓實的土壤時,生長素的合成上升,並且生長素朝著根向根毛區域移動。 由於生長素的移動需要有生長素運輸蛋白,但是植物有非常多的生長素運輸蛋白,究竟是哪一個呢?進一步的研究發現,是 OsAUX1 這個生長素運輸蛋白:當 OsAUX1 基因發生突變,導致植物無法製造 OsAUX1 時,根尖合成的生長素就無法運到根毛了。而且,突變株的根部在遇到3%的瓊脂時,會沿著兩層瓊脂的交界生長,而不是穿入3%的瓊脂。 另外,研究團隊也用了兩個與根毛發育相關的突變株,其中一個是 rhl1 (roothairless1)