某科學の超電報

小立碗蘚幾月開?不開就是不開!光線與光敏素跟植物生長到底有什麼關係呢?

我們都知道人體基因表現出錯,可能會出現許多遺傳疾病的問題,但如果是發生在植物上,植物也可能因此出現生長遲緩、延遲開花等問題。而影響植物基因表現的重要關鍵之一,正是它重要的生長能源——「光線」。其中不可或缺的調控因子,則是感測光線的「光敏素」(phytochrome)。

中央研究院植物暨微生物學研究所涂世隆副研究員發現,植物吸收光之後,感測光線的「光敏素」進入細胞核調控基因表現過程的剪接步驟,啟動基因產出各式蛋白質產物,控制植物生長發育,此研究成果已於今(108)年 8 月刊登於《植物細胞》(The Plant Cell)。

光敏素接收光線 調控基因表現

「光」是植物最需要的能量來源之一,不僅是光合作用的基本能源,也是植物生長發育重要的調節因子,影響植物的萌芽、發育、開花與結果等各個階段。

涂世隆指出,植物體內存在各種光接受器,感測不同波長的光線以調節生長。此次研究的紅光接受器蛋白「光敏素」,過去已被證實會影響植物基因剪接。

研究團隊觀察小立碗蘚(Physcomitrella patens)接收紅光照射後,光敏素調控植物基因表現裡的替代性剪接1(Alternative splicing),和前訊息 RNA2(precursor mRNA)、以及負責執行剪接的複合體等蛋白質進行一連串的交互作用,讓一個基因產出多種不同的蛋白質,確保植物能正常發育。

  • 上述階段為基因表現裡的替代性剪接,藉由不同的前訊息 RNA 剪接方式,可使一段基因產生多種不同類型的 mRNA,進而影響蛋白質產物的組成,轉譯出多種不同蛋白質,顯著影響植物的生長發育、生理調控。

「光敏素」接收光線後(右),進入細胞核調控替代性剪接,使一段基因產生不同型式的蛋白質。相較左圖無光源,並以剪刀數量不同呈現之,代表植物在有/無光源下,進行不同的剪接方式。圖/中研院提供

結果發現,小立碗蘚若缺少光敏素,以及會和光敏素進行交互作用的蛋白質,將導致替代性剪接缺失及發育形態變異,此也證實這些蛋白質藉由執行替代性剪接,確保光照下的小立碗蘚可以正常發育。

另外,在動物系統研究中,替代性剪接已被證實和多種疾病相關。不精確的前訊息 RNA 剪接可能會產出錯誤的蛋白質產物,導致生理病變。

許多研究亦顯示,替代性剪接的缺失會導致多種植物生長問題,例如:生長遲緩、延遲開花等。不過目前科學家對於植物如何進行替代性剪接的瞭解仍相當缺乏。涂世隆表示,若能深入理解替代性剪接如何調控開花,便有機會藉此控制植物開花時間,調節或延長花卉作物的產季。

註解:

  1. 替代性剪接:前訊息 RNA 經由數種不同的剪接方式,產生不同組態/型式的 mRNA,使一段基因在不同的組織或發育過程中能經過〔轉錄-剪接-轉譯〕後,產生不同型式的蛋白質,進而擁有不同的作用,或是產生出穩定性差的 mRNA 達到調控基因表現的目的。
  2. 前訊息 RNA(precursor mRNA):由 DNA 經由轉錄而來,帶著相應的遺傳訊息,尚需經由數種不同的剪接方式,使其成為成熟的 mRNA 後,方可進行轉譯成蛋白質的步驟。

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