環境與生態

吃砷的蕨類

這些植物的基因可能有助於淨化土壤與水。

撰文/伯科威茲(Rachel Berkowitz)
翻譯/鄭方逸
2019-11

環境與生態

吃砷的蕨類

這些植物的基因可能有助於淨化土壤與水。

撰文/伯科威茲(Rachel Berkowitz)
翻譯/鄭方逸
2019-11


全球有數百萬人受害於砷污染的地下水和土壤。這種物質倘若進入飲用水和作物內,會導致皮膚病變、癌症與其他疾病。然而鱗蓋鳳尾蕨(Pteris vittata)天生能在體內累積足以害死其他生物的高含量砷,神奇地繼續蓬勃生長。長久以來,這種耐受性的機制一直是生物化學界的謎團。


美國普渡大學的植物研究學家班克斯(Jody Banks)、蔡超(Chao Cai,音譯)等人最近提出了解釋。班克斯說,若能成功剪輯這種蕨類的基因並接入其他植物的基因,生物工程學家未來就可能利用這種蕨類的能力,清理受到污染的地區。


班克斯注意到當這些蕨類接觸砷時,有三個基因會變得更活躍。為了測試這些基因是否與蕨類對砷的耐受力有關,她用一種常見的生物技術,「關閉」實驗樣本裡的這三個基因,之後這些樣本一暴露到砷毒便隨之死亡。她和團隊接著用顯微鏡追蹤樣本中這些基因編碼所製造出的蛋白質,重現蛋白質如何彼此協同合作收集砷並中和毒素,把砷送往葉子。


其中一個名為GAPC1的蛋白質也存在於許多物種裡,它會用磷酸鹽分解葡萄糖並轉化為能量。砷是以砷酸鹽的形式存在於土壤中,毒性在於它會取代上述反應中的磷酸鹽,阻斷能量製造。然而這種蕨類的GAPC1結構稍有不同,可藉由化學反應與砷酸鹽結合。另一個基因編碼的蛋白質OCT4則會協助困在細胞質內的砷酸鹽穿過胞器的膜,進入細胞中稱為囊泡的小胞器裡。第三個基因所編碼的蛋白質GST會在囊泡裡把砷酸鹽轉換為亞砷酸鹽的形式。研究人員發現,囊泡會再把亞砷酸鹽送往植物體內可以安全累積的部位,抵禦昆蟲。研究結果發表於今年5月的《當代生物學》(Current Biology)。


弗羅里達國際大學生物化學家羅森(Barry Rosen)沒有參與此研究,2016年他在耐砷細菌綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)發現了細菌捕捉並中和砷毒的過程,使用的基因幾乎與這種蕨類完全一樣。蕨類是把亞砷酸鹽困在特殊細胞裡,而細菌則把它排出體外。羅森評論:「同樣的新奇機制出現在植物和細菌體內,顯示生物已經演化出避開砷毒的方法。」