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2016  
植物液泡磷酸運轉蛋白解謎
回上頁 【2016.06.04秘書處】
液泡磷酸轉運蛋白以綠螢光融合蛋白形式表現在(a)阿拉伯芥葉肉細胞(無細胞壁)(b)菸草的表皮細胞以及(c)阿拉伯芥基因轉殖植物(即含有大量液泡磷酸轉運蛋白)的根部
液泡磷酸轉運蛋白以綠螢光融合蛋白形式表現在(a)阿拉伯芥葉肉細胞(無細胞壁)(b)菸草的表皮細胞以及(c)阿拉伯芥基因轉殖植物(即含有大量液泡磷酸轉運蛋白)的根部
生物資訊與結構生物研究所劉姿吟助理教授
生物資訊與結構生物研究所劉姿吟助理教授

無機磷酸鹽(簡稱磷酸)是植物生長所需的營養,也是肥料的主要成分之一。科學家知道,植物體內有七成以上的磷酸儲存在細胞液泡中,但長達半個世紀以來,卻不知道磷酸如何進入液泡內。本校生物資訊與結構生物研究所劉姿吟助理教授與其研究團隊,以磁振造影儀 (MRI) 解開了謎團,有助於未來應用在改良農作物,促進農地磷肥用量降低,減少土地污染。這項重要的研究成果日前登上國際知名期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。

由中研院農業生物科技研究中心邱子珍研究員主導,並與劉姿吟老師、本校生醫工程與環境科學系王福年副教授和博士班學生黃聖閔、政治大學應用物理所蔡尚岳副教授所組成的跨領域團隊,首次利用林口長庚醫院分子轉譯影像中心的磁振造影儀 (7T-MRI) 所產生的核磁共振頻譜,得以「看見」阿拉伯芥幼苗中細胞質和液泡的磷酸含量,並進一步證實SPX-MFS基因家族為科學家尋覓已久,位於液泡膜上的「第五型植物磷酸轉運蛋白」。

劉姿吟老師解釋,液泡裡儲存許多不同的養分,不同的養分會透過液泡膜上不同的膜蛋白,將養分從細胞質運進液泡裡儲存。長久以來科學家一直找不出將磷酸運進液泡的膜蛋白,這次首度以MRI觀測阿拉伯芥細胞中的磷酸含量,終於找到磷酸進入液泡的「門」,也就是「第五型植物磷酸轉運蛋白」。阿拉伯芥是一種廣泛分布於歐、亞、西北非洲的十字花科植物。由於它在一般生物實驗室提供的狹小空間就能生長、生命週期短,並具有易於進行突變、基因轉殖與遺傳分析等特點,加上又是最早完成基因體解碼的植物,因此經常成為植物研究的模式生物。

劉姿吟老師指出,缺乏「第五型植物磷酸轉運蛋白」的阿拉伯芥突變植株,會有較多磷酸累積在細胞質。相反的,含有大量「第五型植物磷酸轉運蛋白」的阿拉伯芥基因轉殖株,液泡內磷酸含量會增加,同時細胞質中的磷酸含量下降,進而改變細胞質磷酸濃度恆定性。換句話說,擁有大量「第五型植物磷酸轉運蛋白」的阿拉伯芥,使得磷酸都貯存進液泡中,即使外界環境供給足量磷酸,但仍舊透過磷酸轉運蛋白存到液泡裡而無法有效利用,植物本身仍感應細胞質內缺乏磷酸,於是誘發缺磷反應相關的基因群,導致植物生長狀況不佳。這一連串的機制證實磷酸是透過「第五型植物磷酸轉運蛋白」進入液泡。

MRI在醫界是很常用的儀器,但這次卻為植物學揭開了研究新領域。劉姿吟老師表示,過去曾有科學家使用MRI的前身—也就是核磁共振 (nuclear magnetic resonance, NMR) 在植物研究上,但是利用NMR 於活體植物常受到空間上的侷限。這次以MRI測量液泡內的磷酸,是首度嘗試,而能與生醫工程與環境科學系王福年老師合作,是由生命科學系潘榮隆教授牽線。

王福年老師表示,其實驗室主要發展量測大腦血流與神經活動連結的影像技術,過去曾讓學生以蔬菜、水果作為掃瞄練習對象,沒想到這次將分子影像技術應用在植物學上,順利獲得重要突破。

談到此研究對於未來世界的可能貢獻,劉姿吟老師表示,藉由基礎科學研究探討液泡磷酸轉運蛋白,如何因應外界低磷環境或內部代謝變化來調控磷酸進出液泡,將促使人類了解並改良農作物,讓植物更有效運用體內的磷酸作為生長之需。這項研究成果也同時揭開研究液泡磷酸轉運蛋白的新領域,希望未來能應用在降低農地磷肥用量,以減少土壤污染,達到農業永續經營的目標。


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