- 首圖說明:植物保衛細胞 3D 模型。
- 文/John Innes Centre 編譯/林莉晏
這項新研究結果將改變我們在教科書上所學習到的植物呼吸作用。
長久以來,當我們討論到植物如何吸入二氧化碳、釋出氧氣的機制,主要會談到植物藉由保衛細胞調控氣孔孔徑來進行氣體交換、水分維持、並且病原防禦。保衛細胞受膨壓1影響改變形狀,當膨壓上升時,成對的保衛細胞會擴張彎曲成腎形,造成氣孔打開;當水分自細胞內散失,膨壓便會減少,使得保衛細胞回復呈長條狀,造成氣孔關閉。
過去多數的生物課本上會提到,保衛細胞最重要的特色在於其靠氣孔那側的細胞壁較厚,加上保衛細胞的形狀,使得細胞內的膨壓可以造成氣孔機械性的變大與縮小。但真的只有這樣嗎?
2017 年刊登於《Plant Journal》的研究2,利用演算法模擬出第一個保衛細胞的 3D 模型(如下圖),並證實三個影響保衛細胞效率的要素:膨壓、細胞壁彈性、以及腎形結構。
Morris 教授表示,這項研究將幫助我們理解如何使植物更適應氣候的變化。保衛細胞也是病原攻擊的主要目標,因此了解控制氣孔開闔對維護植物健康十分重要。
在接下來的研究中,Morris 教授和其他團隊3合作,更進一步揭開保衛細胞動態的神秘面紗,成果刊登於期刊《Current Biology》。他們結合原子力顯微術4和電腦模擬,得到出乎預料的結果:保衛細胞末端區域的細胞壁比預期僵硬(如下圖),此結構使得氣孔擴大而非延長。
此種特殊方向性的加硬機制可以增加氣孔的張開速度與面積,優化其效果。這類作用機制不僅在模式生物阿拉伯芥的保衛細胞中發現,也同樣出現在番茄以及玉米,顯示此作用為大部分植物的共同特徵。
Morris 教授表示預期將研究拓展至禾草5的氣孔,基於單子葉植物特殊的氣孔形狀6,很可能有不同的保衛細胞作用機制。儘管保衛細胞的功能對於植物極為重要,目前尚未完全了解其作用的機制。
注解:
- 膨壓(turgor pressure)是指當水進入植物細胞後,使細胞產生向外施加在細胞壁上的壓力。
- Richard Morris 教授來自 the John Innes Centre, Norwich, Silke Robatzek 教授來自 The Sainsbury Laboratory, Norwich, 以及其他合作者來自 the University of Madrid.
- 團隊包含the John Innes Centre, the University of Sheffield 和 the Sainsbury Laboratory in Cambridge
- 原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡稱AFM),也稱掃描力顯微鏡(scanning force microscope,SFM),是一種奈米級、具高分辨力的掃描探針顯微鏡。偵測訊號是通過微懸臂感受和懸臂上尖細探針的表面的「感覺」來收集,藉由檢測原子之間的接觸作用、原子鍵合力、凡得瓦力或卡西米爾效應等來呈現樣品的表面特性。
- 禾草,俗稱草,是單子葉植物。它們包括莎草(Cyperaceae)、燈芯草(Juncaceae),以及「真草」(禾本科,Gramineae)的植物家族成員,例如: 包括穀物、竹子和草坪的草。
- 單子葉植物保衛細胞為啞鈴形,不同於大部分雙子葉植物的腎形。
參考資料:
- John Innes Centre. “Changing of the guard: Research sheds light on how plants breathe: Research into guard cell mechanism leads to breakthrough.“
- Dow, G. (2017). Plant Biology: Rethinking Structure–Function Relationships in Guard Cells. Current Biology, 27(19), R1069-R1071.
- Mccormick, S. (2017). A 3‐dimensional biomechanical model of guard cell mechanics. The Plant Journal, 92(1), 3-4.
- 維基百科保衛細胞條目
- 維基百科原子力顯微術條目
- 維基百科禾草條目
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