中研院尋獲植物合成維生素 B1 路徑的最後一塊拼圖

作者 | 發布日期 2017 年 05 月 09 日 11:20 | 分類 環境科學 , 自然科學 follow us in feedly

中央研究院植物暨微生物學研究所謝明勳副研究員研究團隊,成功發現植物合成維生素 B1 過程中扮演重要角色的酵素:單磷酸維生素 B1 去磷酸酶,並證實植物細胞內合成維生素 B1 的完整路徑橫跨了葉綠體、粒線體與細胞質。將此項研究成果結合現代遺傳工程技術,可望生產出維生素 B1 含量高之農作物,一方面有助於提高植物本身生長效率與抵抗逆境之能力,另一方面亦可做為動物補充該營養素之糧食來源。該研究成果已於 5 月 6 日刊登於國際知名《植物期刊》(The Plant Journal)。



維生素 B1 對所有生物都是必須的營養素,細胞內醣類與胺基酸的代謝與合成都需要維生素 B1 的參與。動物不能合成維生素 B1 而必需從食物中攝取,植物則可以自行合成維生素 B1。但直到最近,科學家才對植物合成維生素 B1 的路徑有較清楚的解析。細胞內具有活性的維生素 B1 含有雙磷酸根,先前的相關研究已發現植物會先在葉綠體內合成帶有單磷酸根的維生素 B1,而這些在葉綠體內合成的單磷酸維生素 B1,必須先經過去磷酸化,才能進一步在細胞質內合成具有活性的雙磷酸維生素 B1。因此,科學家普遍認為,可以將單磷酸維生素 B1 轉化成不帶磷酸根維生素 B1 的酵素應該也是位於葉綠體或細胞質內。

中研院植微所的研究成果不但找到了可以將單磷酸維生素 B1 去磷酸化的酵素,更證實該酵素位於粒線體內。由此可知,植物細胞內合成維生素 B1 的完整路徑其實橫跨了葉綠體、粒線體與細胞質,而非僅限於葉綠體或細胞質。

找到植物合成維生素 B1 的最後一塊拼圖之後,科學家終於能充分掌握植物合成這個重要營養素的路徑。如今,所有與維生素 B1 合成相關的基因都已被發掘,科學家可以透過現代遺傳工程的技術,進一步研發出能合成高量維生素 B1 的作物。維生素 B1 因直接參與細胞內主要代謝物的生合成,很早就被視為可促進植物生長的重要營養素,此外近年來的研究也發現維生素 B1 為幫助植物抵抗某些逆境的重要功臣。若能研發出高維生素 B1 含量的作物,或許可以創造出一批成長迅速、體質強壯的產物,提高農作物的生產效率與質量。

一般穀類作物維生素 B1 的含量都偏低。以水稻為例,稻穀的維生素 B1 主要都貯存在米糠裡,我們常吃的白米飯反而沒什麼維生素 B1,因此若想攝取到稻穀裡的維生素 B1,必須吃糙米飯。但是礙於口感,一般人比較習慣吃白米飯,對糙米飯的接受度普遍不高。如果能透過對維生素 B1 合成基因的研究,結合新的農業科技,讓整顆稻穀都含有高量的維生素 B1,在享受白米飯 Q 彈口感的同時又可以補充維生素 B1,不僅增加稻穀農業上的價值,之後更期望能應用於醫學與營養學,讓吃白米飯可以更健康。

可以預見,在找到了維生素 B1 生合成的基因之後,如何精準地調控與利用這些基因,將是科學家們努力的目標之一。

此研究經費由中央研究院支持,參與的人員包括謝瑋育、廖若倩、王心慈、洪子桓、曾靜枝和鍾翠芸等研究助理。該論文已於美東時間 5 月 6 日刊載於《植物期刊》(The Plant Journal),文章標題為〈The Arabidopsis thiamin deficient mutant pale green1 lacks thiamin monophosphate phosphatase of the vitamin B1 biosynthesis pathway〉

(首圖來源:中研院;圖為阿拉伯芥淡綠色的突變株在外加維生素 B1 後,可以恢復成與野生型相同的綠色植物。此實驗證明了該突變株由於缺乏維生素 B1,才會呈現淡綠色。中研院植微所進一步的研究發現,此淡綠色的突變株是一個與維生素 B1 合成有關的基因發生突變所造成的。)