為了活下去！植物硝酸鹽吸收暗藏機密

本文與  益福生醫 合作，泛科學企劃執行

昨晚，你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎？這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾，甚至在腦海中數了幾百隻羊，大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程，讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇：你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠，我們得先認識身體的一套精密防衛系統：下視丘-垂體-腎上腺軸（HPA axis） 。這套系統原本是演化給我們的禮物，讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時，能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動，腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙)，這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性，讓我們在危機中保持清醒 。

然而，現代人的「劍齒虎」不再是野獸，而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說，身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

在理想的狀態下，人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後，身體會進入「修復模式」，此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點，讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素（Melatonin）接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號，它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素（Orexin）神經元，幫助大腦順利關閉覺醒開關。

然而，當壓力介入時，這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出，長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化，使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌，更會讓食慾素在深夜裡持續活化，強迫大腦維持在「高覺醒狀態（Hyperarousal）」。 這種令人崩潰的狀態就是，明明你已經累到不行，但大腦卻像停不下來的發電機！

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升，而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸，分泌更多皮質醇來試圖消炎，高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期（REM），導致睡眠品質變得低弱又破碎，最終形成「壓力－發炎－失眠」的惡行循環。也就是說，你不是在跟睡眠上的意志力作對，而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關：PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局，科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系：腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路，這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」，而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便，更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話，直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」（Psychobiotics）。

在眾多研究菌株中，發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發，累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」（First Night Effect, FNE），也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難，俗稱認床。科學家在進行實驗時發現，補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期（NREM）的睡眠長度，且入睡更快，起床後也更容易清醒。更重要的是，不同於常見的藥物助眠手段（如抗組織胺藥物 DIPH）容易造成快速動眼期（REM）剝奪或導致睡眠破碎化，PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力，它能有效縮短入睡所需的時間，並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現，即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理（Heat-treated），轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」（Postbiotics），其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點，讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中，科學家觀察到一個耐人尋味的現象：當詢問受試者的主觀感受時，往往會遇到強大的「安慰劑效應」，無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人，主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相，讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而，客觀的生理數據（Biomarkers）卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後，實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人（84.6%）出現了夜間褪黑激素分泌增加，且壓力荷爾蒙（皮質醇）顯著下降，這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統，而不僅僅是心理安慰。

最值得關注的是，對於那些失眠指數較高（ISI ≧ 8）的族群，這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後，不僅生理標記改善，連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間，以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌：https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠：構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息，而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠，關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石，始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境，到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統，並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現，身體便能更順暢地啟動睡眠開關，回歸自然的運作節律。

與其將失眠視為意志力的抗爭，不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持，每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始，為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜歐宇甜
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

植物脂是什麼？它會怎麼影響植物？

如果提到植物脂質，一般人可能會想到果實或種子裡儲存的油脂，可以加工成大豆油、花生油、芝麻油等油品。不過，近年有越來越多證據顯示，脂質還會影響植物的生長和發育，例如開花的機制。中央研究院「研之有物」專訪過去院內唯一一位由發育生物學觀點研究植物脂質的學者，他是植物暨微生物學研究所的前研究員中村友輝，我們邀請他分享植物脂質研究與他的研究歷程。

過去科學家對植物的脂質研究主要分兩個，一個是研究植物經光合作用轉化的脂質，這是植物可以拿來利用的養分；另一個是研究種子裡的脂質，例如透過品種改良或基因改造，提高種子的產油效率。中村友輝的團隊研究微觀的機制，他們探討脂質如何與其他訊號傳遞因子作用，協調植物的生長發育過程。

中村友輝是中研院植微所的前研究員，他深耕脂質研究已有 21 年，在中研院時期（2011～2022），他一手建立起脂質研究團隊，該團隊的重大研究成果之一就是：發現植物脂質跟調控開花有因果關係。

要找出因果關係並不容易，研究團隊從植物脂質出發，先瞭解植物體內各種不同的脂質，再進一步探索脂質在植物體內如何製造與代謝。製造過程中，不同的酵素與步驟都會影響脂質的含量與結構，甚至同一種脂質，也都可能產生不同結構。

在瞭解脂質如何製造與代謝之後，接下來就是深入脂質的實際功能。「脂質如何影響植物？」要回答這個問題，必須人為控制脂質的代謝，確認變因。

中村友輝團隊開發出「代謝切換系統」，這套系統可以短暫改變脂質的代謝速率或途徑，讓研究人員改變特定位置的脂質含量和種類，觀察不同脂質對植物的影響。

從人體機制找到調控植物開花的秘密

一般開花植物會根據季節變化、日照長短決定開花時機，而科學家發現植物裡有一種 FT 蛋白質（Flowering Locus T），能誘導植物開花，是一種開花素（Florigen）。

長日照植物在足夠的日照長度下，葉子裡的 FT 基因轉錄會活化並合成 FT 蛋白質，再運輸到頂芽，使葉芽轉變成花芽並開花，不過許多調控機制方面的細節仍然是謎。

中村友輝團隊發現，植物裡有一種磷脂質（磷脂醯膽鹼，Phosphatidylcholine，簡稱 PC），會隨日照變化改變，並與開花素產生交互作用、促進開花。脂質角色的加入，是當時其他學者尚未關注到的領域。

為什麼團隊會把 FT 蛋白質跟植物脂質連結起來呢？

中村友輝表示，「我們注意到植物的 FT 蛋白質 3D 結構，跟人體中與脂質結合的蛋白質很像，這個蛋白質是磷脂醯乙醇胺（Phosphatidylethanolamine-binding protein，簡稱 PEBP 蛋白質）。雖然 FT 位在植物、PEBP 位在人體，但兩者構造相當相似。我們心想，既然人體的 PEBP 蛋白質可以跟磷脂質結合，植物的 FT 蛋白質是不是也能跟 PC 結合呢？PC 會不會跟調控開花有關？ 」

脂質真的會影響開花嗎？用代謝切換工程實驗看看！

為了證實這個推測，研究團隊開始進行各種實驗，透過代謝切換工程去調控植物體內的 PC 磷脂質含量，觀察當 PC 變多或變少時，會如何影響 FT 蛋白質的功能，以及開花速度會變快或變慢。

具體應該怎麼做呢？首先要有關鍵酵素「PECT」，只要抑制 PECT 的合成，就會連帶減少 PC 的合成量，進而觀察對 FT 蛋白質的影響。目前是以人工方式製作一段 amiRNA（Artificial microRNA，人工微型核酸），送進植物體內後，它能跟 PECT 的 mRNA 互補並結合，導致 PECT 無法合成。

另一個方法是使用人工合成的啟動子（promoter，簡稱 p），啟動子是一段能讓特定基因進行轉錄的核酸片段。不同啟動子的功能不太一樣，例如啟動子 pFD，只有在頂芽裡才會驅動 FT 蛋白質合成；還有啟動子 pSUC2（Sucrose Transport 2），只在葉子維管束伴細胞（Vascular companion cells）裡才會驅動 FT 蛋白質合成，它專門跟一種藥物結合，實驗時可以透過藥物來控制。

團隊透過上述這些方法來控制 FT 蛋白質只在特定器官產生，再調控 PC 磷脂質含量增加或減少，藉此觀察脂質對開花的影響。

結果發現，如果在頂芽處讓 PC 磷脂質增加的話，的確可以促使開花。

此外，還發現 PC 構造會隨日夜變化，白天時，PC 磷脂質主要是飽和脂肪酸，容易和 FT 蛋白質結合，促進開花；晚上時，PC 磷脂質主要是不飽和脂肪酸，難與 FT 蛋白質結合，不促進開花，開花時間延遲。

至於團隊有實際拍到 FT 蛋白質和磷脂質結合的模樣嗎？中村友輝說：「我們目前是用電腦模擬的方式，將 FT 蛋白質和磷脂質兩個分子的 3D 模型放在一起比對、計算，得知兩者最可能的結合方式。之前有嘗試用冷凍式電子顯微鏡（Cryo-electron microscopy）拍攝，但可能是 FT 蛋白質本身太小，沒有成功 ，希望未來有機會。」

這篇論文於 2014 年刊登於「自然通訊」（Nature Communications）期刊，之後陸續有些科學家也在研究脂質對開花的影響，有的發現在維管束的脂質也會影響 FT 蛋白質傳送，有的發現水稻的開花素運作模式，跟本次實驗所用的模式植物阿拉伯芥類似。

不過，全世界的植物種類非常多，不同植物的生長、開花特性可能不同，像短日照、長日照植物所需日照時間不同，有些植物如曇花是晚上開花，有些植物是先開花才長葉，其他類型的開花機制仍待更多研究來解開。

用藻類酵素刺激產油

如果科學家能掌握並任意開關植物的代謝路徑，以後就能隨心所欲讓植物生長或開花並應用在農業上嗎？中村友輝指出，「一旦瞭解代謝途徑，到真的應用層面上，的確不是遙不可及。我們之前有一個研究，就是透過掌握酵母菌的代謝途徑，讓這些小生物生產大量油脂。」

中村友輝說道，「有些做代謝工程的方式是改寫整個代謝路徑，我們只是促進或抑制某個路徑，改動範圍沒有這麼大。這篇論文是少數做到應用層面的研究，但我們只有養少量的酵母菌，真正要做到工業級生產，需要其他專門的人。我們仍是以基礎研究為主，聚焦在發現基礎代謝途徑，找出各種未知代謝途徑或未知代謝物。畢竟要先瞭解基本的，才可能有後續應用。」

原來，植物脂質沒有大家想得那樣簡單，只是當作儲存能量而已，更對植物的生長與發育影響重大。中村友輝希望未來繼續探討這個似乎無窮無盡的植物脂質領域，找出更多嶄新的發現。

除了研究內容之外，喜愛植物和旅遊的科學家中村友輝，當初如何踏上科研之路？為何如此熱愛植物脂質領域？來臺灣工作多年又有什麼觀察與發現呢？

您從小就喜歡植物嗎？當初如何走上學術研究的道路？

我小時候常常在戶外玩，喜歡花草，甚至會跑去河邊採水草，放在家裡水族缸養。在校學習時，我其實都是文科比較好，理科不是很好，應該沒有人想到我會走上科研的道路。但是，我發現自己對「分子生物學」很有興趣，DNA 這麼簡單的雙股螺旋結構，為何會產生蛋白質、形成生物體？我為此深深著迷。

前幾年我去一場會議演講，詹姆斯·華生（James Watson，DNA 雙股結構發現者）就坐在前面第一排，沒想到我竟然能跟這位崇敬的科學家一起分享自己的實驗，那是個非常值得紀念的日子！

您曾去過許多地方旅行，有沒有留下什麼印象深刻的事？

我對其他國家的文化感到好奇，也喜歡親身體驗，從當地人觀點融入生活。我曾去到阿富汗和巴基斯坦，那裡戰亂較多，有一點危險，某次經過巴基斯坦和阿富汗交界的公路時，我還付錢請了兩個保鑣隨行。我去到那裡一些很貧困的地方，曾問當地人：「對你來講，活著的目的與意義是什麼？」沒想到那個人只是簡單回說：「我只想要活著就好，我活著的目的就是不要死！」這個回答讓我相當震撼，原來世界上有人是這樣活著。

您當初為何選擇植物脂質領域的研究，是否有什麼契機？

當年我在日本東京工業大學讀書，通常日本大學在畢業前要完成一個論文，大四有一年時間做研究。我喜歡植物，不喜歡動物或醫學，就選擇進入一間植物實驗室。剛開始我並不是選擇脂質作為主題，不過那時學界已開始發現到，脂質可能影響光合作用，因為脂質是構成葉綠體雙層膜的主要成分，我就因緣際會下踏入植物脂質領域，到現在已經 21 年。

您後來如何發現脂質對植物的生長與發育有重要影響？

科學家已經知道葉子、種子含有脂質，但大家並不清楚花朵裡的脂質是什麼樣子。那時教授給了我一個題目，就是去瞭解花裡面的脂質成分，這個題目還沒有人做過，我便接下這個挑戰。一開始我是辨識花裡含有哪些脂質，拿來跟種子、葉子的脂質成分做比對。

花朵分成不同的器官像花瓣、雄蕊、雌蕊、花柱和花萼等，我驚訝的發現，花裡的脂質不但跟葉子、種子的脂質成分不一樣，而且在花朵的不同器官中，脂質成分竟然也不同。這讓我感到很有趣也很納悶：為什麼會有這麼大的差別？成為我開始深入探討脂質對開花影響的契機。

您是在什麼樣的契機來到臺灣工作呢？

我是從 2011 年進入中研院。在大學當背包客的旅程中，我發現亞洲的科學發展蠻有潛力，便開始學習中文。博士班畢業後，我決定先去新加坡讀博士後研究，當時新加坡的實驗室成員都是華人，包括中國、臺灣和新加坡等。後來剛好中研院植微所在徵人，於是我就來到臺灣。我覺得臺灣最好的部分是人，臺灣人真的非常好！我對這裡的生活很適應，臺灣的小吃、水果都很好吃，我特別喜歡芒果！

這些年您對臺灣的學術環境有什麼樣的觀察或心得嗎？

在臺灣，可以找到很多願意學習的人一起參與研究。很感謝中研院給我這個機會加入，發展我的研究旅程。我 31 歲就擔任實驗室主持人，我對中研院的回報就是盡量把研究成果一個個發表出來，希望讓中研院知名度提高。臺灣政府很願意支持基礎科學研究，雖然不能馬上看到成果，但對於後幾年的應用來講是最重要的，很希望未來臺灣政府能持續支持基礎研究，吸引更多國外學者來臺灣，將整個基礎研究能量做大。

您目前的研究方向有哪些？

第一個就是延續脂質調控開花的研究，因為還是有很多東西不瞭解。第二個是持續發現新的代謝途徑。植物的脂質代謝途徑很多、很複雜，大家所見的路徑圖表只是簡單示意，實際上不是真的這麼簡單，還有很多東西沒有被發現。最後是研究脂質跟莖的生長、大小的關係，跟脂質能調控開花的概念有點類似。總結來說，我的研究主軸是希望繼續瞭解脂質是怎樣影響植物的發育和各種生理現象。

植物的「硝酸鹽轉運蛋白」為什麼重要？

過去僅知道植物會利用氮肥中的硝酸鹽做為養分來源，而利用分子生物學的技術，可探討植物吸收硝酸鹽的機制，及如何有效利用硝酸鹽等未解之謎。藉由了解轉運蛋白的作用機制，進而提升植物利用氮肥的效率，從最微小的基因尺度，用科學方法來改善農業、環境以及能源等問題。

從大學時開始進入實驗室做實驗，到現在擁有自己的研究團隊，蔡宜芳也帶領著下一個世代繼續研究。她向我們分享這一路走來的點點滴滴，望著窗外一片青綠，蔡宜芳談起為什麼願意投身植物的研究，她笑說：「因為覺得植物很美，植物默默在那邊生長，無怨無悔地提供我們人類養分。」

氮肥吸收暗藏秘密

Q：植物是如何吸收硝酸鹽作為養分，及其中轉運蛋白如何運作？

植物可以吸收的兩種氮源型態為：硝酸鹽、氨鹽。不管是施用什麼形式的氮肥，土壤中的細菌都會幫忙轉換成植物可以吸收的型態。而在土壤中，由於硝酸鹽的含量比較高，所以植物主要是吸收硝酸鹽進入體內作為氮源。

我們在三十年前就知道氮肥很重要，並且多是以硝酸鹽形態被植物吸收，但相關的研究主要集中在傳統生理探討，並不知道在這個機制裡，植物體內負責吸收硝酸鹽的蛋白是什麼。

細胞膜是通往細胞內外的必經路障。而硝酸鹽是帶電離子，無法自己通過由脂質構成的細胞膜，必須由蛋白質的協助才能通過。

1990～1993 年，我在美國做博士後的時候，植物的分子生物技術才剛發展起來。在那之前的實驗多是測植物吸收硝酸鹽的能力；或是在不同環境下，吸收能力變化等較傳統的生理實驗。然而，我們以前都不知道，是什麼樣的蛋白質在負責硝酸鹽的通輸。

因為這個蛋白質很難找，差不多有兩年的時間，我經常整天都坐在電生理實驗檯上。在當時的技術背景下，需要建立新的研究方法。當時的實驗室老闆也曾經一度想停掉這個計畫案，擔心我白白花費太多時間在這上頭，但我想的是既然都作到一半了，就繼續堅持下去。

1994 年回臺灣之後，我們團隊陸續發現，位於植物細胞膜上的硝酸鹽轉運蛋白 CHL1 身兼數職。

CHL1 蛋白不僅轉運硝酸鹽進入細胞內進行運用，更會感測土壤環境中的硝酸鹽濃度後，調控下游基因表現來幫助植物更有效率地利用硝酸鹽。透過研究此轉運蛋白，我們可更進一步了解農作物利用氮肥的原理與機制。

植物對環境很敏感，全是為了活下去！

Q：從早期的植物研究方法，到現今的分子生物研究技術，如何在這類研究中進步、成長？

在有分子生物技術之前，多是進行遺傳學或生理學的研究。很早以前，荷蘭的研究團隊就已經找到無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株 (mutant)，並開始研究它的生化特性，確認它就是硝酸鹽 (nitrate) 吸收壞掉的突變株，但當時因為沒有分子生物技術，而無法做進一步研究。

我常說，在我十歲的時候這個突變株就在了，可是因為沒有分子生物學的技術，而無法確知是哪個基因出問題導致它無法吸收硝酸鹽。

在 1990 年，分子生物技術剛建立起來，而我就利用這個工具去找。找到這個基因後，我們也開始做一些延伸性研究。由於在植物體內有另外 52 個基因和 CHL1 同屬一個蛋白家族，我們團隊也逐一地去了解它們的基因功能。經過數年研究，了解到植物是如何吸收硝酸鹽進來，而後送往地上部，又如何在不同環境下重新分配不同組織內的硝酸鹽。

我們發現，植物會想盡各種策略來確保年輕葉片有足夠的硝酸鹽，並且在開花結果後，植物也會把硝酸鹽輸送給種子做利用。

這樣一系列的反應都被研究出來後，就可了解硝酸鹽在植物中輸送的各種路徑。

小學跟中學常考的一個植物學考題是：根據教科書的教條，認為無機的氮源(例如硝酸鹽)只會在木質部中輸送，有機的氮源（例如胺基酸）才會在韌皮部篩管中輸送。但是，我們的研究發現教科書的教條需要修改，硝酸鹽可以在韌皮部篩管中輸送，而且這個輸送機制對植物的生長很重要。

另一部分，我也對蛋白質的調控感興趣。植物本身有兩種硝酸鹽的吸收系統，在土壤硝酸鹽含量很低時，負責作用的系統為「高親和性系統」；在土壤中的硝酸鹽含量很高時，負責作用的系統為「低親和性系統」。植物利用此兩個吸收系統去應對外界多變的硝酸鹽環境。

以前科學家都認為這是兩個獨立的系統，直到 2003 年我們實驗室的博士班學生劉坤祥研究發現：轉運蛋白 CHL1 可藉由磷酸化的轉換，感受到細胞外面的硝酸鹽濃度變化，來調節自身的吸收模式。

這個研究告訴我們：植物有能力感應外界環境的硝酸鹽變化；不只是轉運蛋白會改變，植物也知道濃度低的時候省著點用、濃度高就貯存，因應變化來調控基因表現。這一系列反應很快，三十分鐘就會誘發基因表現。

我曾有一次聽植物鈣離子傳導的演講，演講者說：「實驗發現傷害植物的時候，鈣離子的訊息會增強。」所以會不會有可能當你吃生菜沙拉的時候，植物其實是會痛、有反應的？因為在自然界中，植物不能動，所以它對環境一定要有很好的偵測方法，還有因應策略。不管種子在哪裡發芽，都要想盡辦法在那個環境中存活下來。

改善植物吸收肥料的效率，以利生態環境

Q：過往普遍認知氮肥可幫助作物生長、提供產量，但近年發現氮肥會影響生態、也有食物殘留風險等，這如何能透過生物技術、研究來改善？

1950 年代的綠色革命發現氮肥可以讓產量翻倍，人口因此開始增加。原本的肥料是取自海鳥糞，後來找到了硝石礦，但仍是不足以應付需求，因此德國化學家弗里茨‧哈伯 (Fritz Haber)找到方法把氮氣轉換成植物能應用的形式。但氮氣的鍵結是很強的，要打斷鍵結要高溫高壓，是非常耗能的事，以至於全世界約有 1~2% 能源是花費在製造氮肥。

氮肥到土壤裡會被細菌轉換成硝酸鹽，但硝酸鹽不易保存在土壤中，下雨就會沖刷、進入到水循環。如此耗能生產的氮肥，施用下去田間，其實只有一半或少於一半能夠被植物利用。而湖川海洋中過多的硝酸鹽會造成優養化作用，形成藻華、Dead Zone，這其實是全球性的生態影響。

因此，我們希望想辦法解決這個問題，讓植物吸收硝酸鹽的效率好一點，進而減少環境的汙染、製造氮肥的能源消耗。

氮肥供應充足的時候，硝酸鹽養份主要會送往成熟葉；但在缺乏氮肥時，植物會把儲存在老葉的硝酸鹽運送到嫩葉。看到這種轉移的情況，我們就想：如果能夠強化這種轉移養分的機制，是不是就能夠加強氮肥的利用效率？

如下圖，我們研究發現，葉子中有一個 NRT1.7 基因有這個作用，如果能加強 NRT1.7 的基因表現，或是活化參與這個轉移機制的蛋白質活性，就可以提高植物利用氮肥的效率，進而促進植物生長。目前已經在阿拉伯芥實驗成功，也已取得臺灣和美國的專利，現在則是在水稻、菸草上進行試驗，這其實是個很漫長的過程，但一旦成功，對於生態環境是一大助益。

對我來說，要一直用新的技術來回答新的問題，因為新的技術一定能夠讓問題的答案更深入，但我認為最重要的還是找到你要問的問題。而我最想問的問題是：植物是如何去處理它的養分，來做它最好的生長反應？研究過程中經常解決了一個問題後，還會有下個問題。

我一直喜歡植物研究的一個特色是，你可以從分子生物的尺度、到整株植物的生理去探索你的問題的答案，並發現這一切都相互呼應。

因為太專注於分子生物層面的東西，有時候是細微到只看到蛋白質的交互作用，但這樣細微作用如何影響到整個作物的生長，甚至是最後到農業的產量，這是我最感興趣的。

不只是學術，科學研究的重重挑戰

Q：當初為何會投入植物、科學的研究？

我覺得投入研究的重點是「好奇」。你一定要有好奇心，會想追求一些新問題的答案。一名科學家必須要有好奇心，同時也需要有你的邏輯思考能力去尋求答案。

我大學是台大植物系的，會就讀植物系其實是個很浪漫的原因──只是因為我很喜歡植物而已。我喜歡走進森林的感覺，讓我很想去了解植物。

大四時，進到實驗室是做組織培養，那時候是很熱門的題目，因為很新奇。植物組織加入不同荷爾蒙，就會變成地上部的葉子或地下部的根，那是由於植物細胞有全能分化的能力。組織培養雖然有趣，但知其然不知其所以然，完全不知道是什麼原因造成這些變化，無法滿足我喜歡打破砂鍋問到底的個性，所以碩士就開始就往分子生物的領域走。不過因為那時植物的分生研究還沒發展起來，我就先從研究酵母菌開始，把分生基礎打好；等到讀完博士班，開始找研究題目、看論文時，發現仍是植物相關研究最能觸動我的神經，所以我就決定要再回去研究植物。

我覺得在科學的養成上，技術是一環，但邏輯思考的養成比技術的養成更難。邏輯思考的養成更要慢工出細活，很難一步到位。

看論文時，去找到這篇論文的核心價值是很重要的。做研究還要知道在這個領域中，最重要的問題是什麼。畢竟，找到問題後就是賭博了。要知道哪個方向的研究值得投資，要知道實驗資料和數據所代表的意義是什麼，如何解讀數據也是很重要的邏輯思考訓練，這些將都會成為你設計新的實驗時的依據。

其實，最辛苦的是剛開始設立自己的實驗室的時候。因為要訓練人，不是自己做就好，還要承擔所有的成敗。而且科學也是需要對外溝通，告訴資助單位、期刊還有大眾這個研究的重要性為何。

女性從事科學研究有多一層的考驗，因為社會對女性有許多的期許與要求，要兼顧家庭、事業兩方會是蠻大的挑戰。我覺得我算是蠻幸運，先生對我支持度也很高。在很多時候，女性碰到在家庭跟事業之間做抉擇時，會較容易放棄自己的事業。因此我常跟女學生說：對於家事能夠取得幫忙，就去取得，妳可以克服的，女性也可以顧全自己的事業。

延伸閱讀：

• 蔡宜芳的個人網頁
• 蔡宜芳的實驗室網頁
• 〈如何為植物調配五星級的營養特餐：談植物對於硝酸鹽 (Nitrate) 的吸收〉，作者：許博凱、蔡宜芳。《中央研究院週報》，第 1119 期。
• 〈身兼數職的硝酸鹽轉運蛋白〉，作者：郭朝禎。《科學發展》，2012 年 5月，473 期。
• 【第 11 屆臺灣傑出女科學家獎得主影片】臺灣綠色革命女強人，開創生物經濟契機
•  Liu, Kun-Hsiang, and Tsay, Yi-Fang. (2003) Switching between the two action modes of the dual-affinity nitrate transporter CHL1 by phosphorylation. EMBO J, 22:1005-1013.
•  C.-H. Ho, S.-H. Lin, H.-C. Hu, and Y.-F. Tsay* (2009) CHL1 Functions as a Nitrate Sensor in Plants. Cell 138, 1184–1194. (Recommended by Faculty1000, 12 stars)
•  S.-C. Fan, C.-S. Lin, P.-K. Hsu, S.-H. Lin, and Y.-F. Tsay* (2009) The Arabidopsis Nitrate Transporter NRT1.7, Expressed in Phloem, Is Responsible for Source-to-Sink Remobilization of Nitrate. Plant Cell 21: 2750–2761.
•  Y.-Y. Wang, P.-K. Hsu and Y.-F. Tsay* (2012) Uptake, allocation and signaling of nitrate. Trends in Plant Science 17:1360-1385.
•  J. I. Schroeder *, E. Delhaize, W. B. Frommer, M. Lou Guerinot, M. J. Harrison, L. Herrera-Estrella, T. Horie, L. V. Kochian, R.Munns, N. K. Nishizawa, Y.-F. Tsay, D. Sanders* (2013) Using membrane transporters to improve crops for sustainable food production. Nature 497 (7447):60-66.
•  Ya-Yun Wang∗, Yu-Hsuan Cheng∗, Kuo-En Chen and Yi-Fang Tsay (2018) Nitrate Transport, Signaling, and Use Efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 69:27.1–27.38.

本著作由研之有物製作，原文為《找到植物吸收養分的關鍵──專訪蔡宜芳》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

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