週二. 11 月 30th, 2021

慈大周帛暄教授 從天山雪蓮尋找植物抗凍基因

近年來,因為大氣中二氧化碳濃度上升所引起的氣候變遷,使得極端氣候事件經常發生:夏季酷熱、冬季寒冷,而這樣的氣溫變化都不利於作物生長。要怎麼提高農作物的耐熱與耐寒能力,已經成為當務之急。
過去對植物抗凍作用途徑上的研究已經發現許多抗凍基因。其中名為ICE的基因位於此作用途徑的上游,可啟動下游的許多基因,讓植物變得更抗凍。在阿拉伯芥中過量表現它自己的ICE1/2,均會使得植物更耐寒凍。
但是阿拉伯芥只是生活在溫帶的雜草。實驗時發現,以攝氏零度處理阿拉伯芥24小時,一半的植物會死亡。如果過量表現阿拉伯芥的抗凍基因就可提升其抗凍能力,若是能從非常抗寒的植物中找到抗凍基因,是否能讓植物變得更抗凍呢?
慈濟大學生命科學系周帛暄老師的實驗室,最近就嘗試著回答這個問題。他們找了生長在中國新疆天山南北山坡、阿爾泰山及崑崙山,海拔為4000?5000米高的地帶的天山雪蓮(Saussurea involucrata),並從中找到它的兩個抗凍基因ICE1與ICE2,將它們過量表現在阿拉伯芥中,看看是否能提升植物的抗凍能力。
天山雪蓮的種子可以在攝氏零度時發芽,3-5°C時生長,幼苗甚至可經受-21°C的嚴寒,顯見它抗凍的能力極佳。周老師透過與中原大學生物科技系蕭崇德老師合作從已發表公開的天山雪蓮轉錄體資料庫中找到了ICE1與ICE2的序列。
周老師說,這樣的作法其實有點冒險,因為這兩個基因的序列是透過組裝轉錄體資料得來,因此最好能再從植物中把這兩個基因給「釣」出來確認才能放心。但是台灣並非是天山雪蓮的原棲地,在台灣有哪個研究團隊有在研究天山雪蓮呢?
沒想到還真有。周老師發現,元智大學生物科技與工程研究所黃麗芬老師的研究團隊在天然物研究領域剛好擁有天山雪蓮這個實驗材料。於是周老師便從天山雪蓮的癒傷組織裡,成功釣出天山雪蓮的ICE1與ICE2。
藉由序列比對分析發現天山雪蓮與阿拉伯芥的ICE基因,只有大約51%-55%的序列相同。差異如此之大,是否有相同的功能呢?
於是周老師的研究生吳佳玲,將天山雪蓮的兩個ICE基因轉入阿拉伯芥中。結果發現,過量表現天山雪蓮的ICE1或ICE2的阿拉伯芥,以攝氏零度處理24小時,幾乎所有的植物都存活了下來!進一步分析這兩種轉殖植物發現,過量表現天山雪蓮的ICE1與ICE2的植物,其下游的抗凍基因如CBF1, 2, 3以及更下游的COR15A, COR47 與KIN1等的表現量都上升了,顯示雖然天山雪蓮與阿拉伯芥的這兩個抗凍基因之間差異不小,但仍然可以啟動阿拉伯芥的抗凍機制。
未來周老師的研究團隊想繼續研究天山雪蓮的這兩個ICE同源基因與耐脫水(凍害也會造成植物脫水)、抗氧化逆境等途徑的關係,也對這些抗凍基因所引發的代謝變化感興趣。如果能找到關鍵的抗凍基因,應該能將之應用於提升作物的抗凍能力上,讓農作物在極端氣候的威脅下,也能有穩定的收穫。

參考文獻:
Wu, C.-L.; Lin, L.-F.; Hsu, H.-C.; Huang, L.-F.; Hsiao, C.-D.; Chou, M.-L. Saussurea involucrate (Snow Lotus) ICE1 and ICE2 Orthologues Involved in Regulating Cold Stress Tolerance in Transgenic Arabidopsis. Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 10850. https://doi.org/10.3390/ijms221910850

 

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