植物如何應付氣候變遷?台俄科學家一探壓力記憶背後謎團

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 04 日 16:04 | 分類 環境科學 , 自然科學 follow us in feedly


花兒一年早開、一年晚開,極端氣候已經造成植物與作物時序錯亂,誰都躲不過氣候變遷的帶來的影響,不過其實植物比想像中的更堅強,最近台灣與俄羅斯科學家攜手合作,成功破解植物壓力記憶背後的運作機制,將有助於改善作物對極端天氣的「抗壓性」。

長期環境壓力會導致人們認知功能、記憶力退化等負面影響,這套說法其實也可以應用在植物上,只是壓力源不大一樣,當植物處在乾旱或是洪水等極端天氣下,植物也會覺得壓力大,最終造成全球作物大量減產。

不過最近俄羅斯科學院遠東分院(FEBRAS)的俄羅斯與台灣科學家研究發現,靜止又無聲的植物,其實它的防護機制相當強大,當感受到高溫或其他逆境壓力時,植物會產生壓力荷爾蒙離層素(ABA)以及大量表達熱休克蛋白(HSP),並以此當作訊號,根據外部刺激做適當的調整。

在過去的環境壓力與基因表現研究中,科學家發現細胞受熱刺激,會誘導大量熱休克蛋白合成,可用來保護細胞內各種胞器,使細胞維持正常功能,並避免細胞內的可溶性蛋白質在高溫下喪失生物活性。

科學家一直以來都認為植物激素離層素跟熱休克蛋白機制息息相關,兩種不同的系統會攜手應對不同壓力,只不過尚無法得知背後的運作機制是到底如何,而 FEBRAS 研究模式生物阿拉伯芥,分析其蛋白質交互作用後,已成功找出答案。

論文作者兼專案負責人 Victor Bulgakov 表示,連接離層素跟熱休克蛋白機制的是染色質重塑複合物  SWI/SNF,這種複合物也是構成壓力記憶的功臣之一。

壓力記憶是植物的主要防禦機制之一,會「記得」經歷過的極端條件,當植物接收到離層素和熱休克蛋白的訊號後,植物會透過 SWI/SNF 重塑核小體的組蛋白和 DNA 之間相互作用的穩定性,進一步控制染色質結構、調節基因轉錄。

研究指出,因此植物在經歷各種波折之後,會產生一定的抗壓性,團隊稱之為「生物工程記憶(bioengineering memory)」。

全球暖化的情況下,作物減產是全世界目前正面對的挑戰,團隊認為新研究將有助於人們提高作物對氣候變遷的抵抗力,不過還是得考慮到植物的記憶與壓力變化,像是在俄羅斯,就需要提升米、大豆和玉米的耐寒與耐旱能力,台灣則是需要提高作物的耐熱度。

(首圖為阿拉伯芥,來源:Jucember [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons