某科學の超電報

改良水稻,力抗氣候變遷,植物控制體內糖分的機制是關鍵!

2019/11/26 |

快訊標籤MYBS1, MYBS2, αAmy, 乾旱, 氣候變遷, 水稻, , 逆境, 酵素, 和 高溫

近年來,環境變遷導致乾旱、水災、高溫等災害發生頻繁,威脅全球糧食安全,糧食問題也變得格外重要。

中央研究院分子生物研究所余淑美院士與其研究團隊,利用乾旱、高溫、病菌感染的生長環境誘導 α-澱粉水解酵素(簡稱 αAmy)大量表現的現象,發展出平衡植物糖濃度的技術,藉由開啟與關閉 αAmy 基因的表現,維持糖的適當濃度,提高水稻耐逆境能力!

此技術可育出「抗逆境、高產量」水稻品種,也可應用於其他穀類的改良,有助於解決環境變遷造成糧食減產的問題。研究成果已於今(108)年十月發表於《美國國家科學院期刊》加長版(PNAS, Plus)。

植物與人,都要控制「糖濃度」

人類必須控制血糖濃度保護健康,植物也需要平衡糖濃度才能長得強壯。而αAmy 是分解植物澱粉最主要的酵素,同時它也控制了植物體內糖的產生與利用1

MYBS1 及 MYBS2 進出細胞核競爭調控 a-澱粉水解酵素的產生。圖/中研院提供

研究發現,植物維持所需糖濃度的機制,是透過兩個蛋白質因子-MYBS1 及 MYBS2 互相競爭調控 αAmy 的產生。在缺糖時,MYBS1 進入細胞核促進 αAmy 的表現,分解澱粉為糖;而在高糖時,MYBS2 進入細胞核抑制 αAmy 的產生。

余院士說明,當植物缺糖的情況下,MYBS2 蛋白質的第 53 個氨基酸被磷酸化,導致被送出細胞核,然後被一群 GF14 蛋白質抓住留在細胞質,使其無法再進入細胞核內與 MYBS1 競爭,因此 MYBS1 能夠促進 αAmy 的產生。

植物維持糖濃度可促進生長、抗逆境及產量。圖/中研院提供

此外,乾旱及高溫會抑制 MYBS2,促使 αAmy 大量表現,進而顯著提高水稻生長速度、耐逆境能力及穀粒產量。研究團隊表示,這個發現終於解開了植物在遭受環境逆境及病菌感染下,卻大量產生 αAmy 的原因,就是讓植物對逆境更有「抵抗力」。

此研究結果是全球首次發現高糖及缺糖能開啟與關閉基因表現的分子機制,以維持植物體內糖濃度的平衡,並且也與植物的生長需求、抵抗逆境及產量的提升息息相關。

在全球各大洲發生高溫及水資源匱乏問題,甚至已對糧食生產造成嚴重衝擊的現在,此技術的研發可利用較易商業化的基因編輯技術,改良水稻及其他穀類的品種,增加作物生長效率,並足以耐各種逆境,維持糧食高產量,有助於解決環境變遷造成的糧食問題。

註解與補充:

  1. 植物是自營生物,利用空氣中的二氧化碳及土壤中的水及微量元素進行光合作用,自行製造生長所需的糖,及儲存成澱粉、油脂或蛋白質,此為自然界中各種生物所需碳水化合物的主要來源。

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