第三卷 第三期 - 2008年一月二十五日
植物如何感受重金屬汙染?
黃浩仁*、葉顓銘、簡佩珊

國立成功大學 生命科學系
Email:haojen@mail.ncku.edu.tw

Chuan-Ming Yeh, Pei-Shan Chien and Hao-Jen Huang (2007)
Journal of Experimental Botany. 58(3):659-671

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代生命科學中有一個極富挑戰性的研究,就是瞭解生物體中的各個細胞如何能夠精確的辨識各類不同的外界刺激。

大自然中的植物,經常受到環境中的各種逆境而影響其生長及發育。在各式各樣的環境壓力下,重金屬汙染所產生的環境壓力是人類邁入工業社會後所製造出來的問題。這些重金屬有一部分是植物生長所需,另有一部分則非植物生長所必需之元素。如果環境中存有較大量的重金屬,則將嚴重毒害植物生長。以鎘為例,它可抑制植物發芽及根部生長。而銅雖然是植物生長所需之微量元素,然而若是土壤中的含銅量太高,則仍會抑制植物的生長。透過植物生理學家之長期研究,人們已經瞭解重金屬所造成的植物病變之現象,然而直至今日,科學家對於植物如何感受重金屬仍十分不清楚。

現代生命科學中有一個極富挑戰性的研究,就是瞭解生物體中的各個細胞如何能夠精確的辨識各類不同的外界刺激,當然植物如何能分辨不同的重金屬離子,是一個相當有意思的問題。近年來透過生化、遺傳及分子生物學之快速進展,我們逐漸了解絲裂原活化蛋白激酶(MAP Kinase)這類型的蛋白質在生物訊號傳遞中所扮演的重要角色。當植物遭受不同環境因子刺激,例如遭遇低溫逆境模式、病蟲害侵襲..等等,將會活化不同種類的MAP Kinase,而筆者的研究室自公元2002年首度選殖出水稻第一個典型MAP Kinase後,即一直專注於其功能及可能之生物科技應用。

近年來,國際間已有部分研究室探討動物細胞在遭遇重金屬逆境時之細胞訊息傳遞途徑。筆者實驗室在過去也證實了植物遭受不同重金屬處理時,均會引發MAP Kinase之活化,然而對於植物如何分辨出這些不同重金屬及所誘發途徑仍所知不多,因此本篇研究主要就是探討銅及鎘如何誘發植物細胞中MAP Kinase之活性。我們發現銅與鎘雖然都會誘發植物體內活性氧化物(ROS)及鈣離子(Ca2+)聚積(圖1),但卻是透過不同的分子機制 (圖 2)。當我們使用對重金屬敏感度不同的TNG67梗稻(蓬萊米)及TN1 秈稻(在來米)作為材料時,發現鎘在TNG67 (對鎘有耐受性) 比 TN1 (對鎘較敏感性) 會誘發較高量的MAP Kinase (圖3),這說明了MAP Kinase活性可能與不同品種水稻對重金屬耐受性有相關性。
圖. 1A, B. 在重金屬銅與鎘逆境處理下,水稻根部 (A)活性氧化物的產生及(B)鈣離子累積。綠色螢光即為活性氧化物(A)及鈣離子(B)。10組控制組及10組處理的水稻根部皆有同樣的結果。所有圖的放大倍率為100倍。

圖. 2. 銅及鎘誘發水稻根部細胞中MAP Kinase之活性,是透過不同的分子機制。

瞭解植物如何接受及反應重金屬刺激,是生物學中相當有趣的問題。目前科學家對MAP Kinase在植物如何感受環境因子,如重金屬、植物荷爾蒙、病原菌、營養源等,已有初步了解。在台灣重金屬汙染水稻的新聞,經常被報導。從生物科技的角度,筆者研究室很清楚的了解,藉由掌握MAP Kinase的活性,應能培育出更具耐受力且不吸收重金屬的植物。我們深信藉由人類更加了解植物如何對抗外界環境逆境的機制,必能加速培育出高度耐環境逆境壓力之植物。
圖.3. 不同濃度鎘處理對鎘有耐受性的梗稻 (TNG67),及對鎘較敏感的秈稻 (TN1) 1小時,以膠內活性分析法分析MAP Kinase的活性。以自動放射顯影術觀察,箭頭所指示處即為MAP Kinase之活性。
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