中研院-挑戰卓越

解開養份吸收奧秘
胜肽幫助植物補鐵

2019/10/29 中央研究院企劃製作
圖/在顯微鏡下,可觀察到正在阿拉伯芥中移動的IMA胜肽(右下角綠色螢光處)。


鐵是人體的必需營養素,對於孕婦與孩童更為重要。鐵不但可幫助血紅素輸送氧氣,也能協助身體中的酵素發揮功能。一旦缺鐵,人體供氧量就會不足,甚至導致缺鐵性貧血,現今全世界已有超過十億人受缺鐵之苦。然而,人體不容易吸收鐵,如何調控飲食以補充足量的鐵,成為人們重要的課題。


鐵通常以兩種型式進入人體,其中一種是血基質鐵(heme iron),另一種是非血基質鐵(nonheme iron)。肉類一般含有較多血基質鐵,較容易為人體所吸收;植物基本上只含有非血基質鐵,吸收率較血基質鐵為低。因此以蔬果為主的飲食更容易導致人體缺鐵。如果能了解植物獲取養分的機制,進而增加植物中的鐵含量,就有希望解決人們的缺鐵危機。


胜?調控鐵的吸收


來自德國柏林的施臥虎研究員(Dr. Wolfgang Schmidt.),自2005 年進入中央研究院植物暨微生物學研究所至今,主要工作為研究植物如何吸收土壤中的不易移動養分(immobile nutrient),例如磷、鎂、鐵。由於這類元素在土壤的活性較低,因此植物必須運用特別的策略,例如改變自身的生理狀態,或重新建構代謝反應,才能獲取足量的必需營養素。


植物和人類一樣,同樣需要鐵才能發揮正常生理功能。鐵是製造葉綠素的必要元素,有了葉綠素,植物才能行光合作用。例如當天氣溫暖、植物生長快速時,地上部(莖、葉、花)就會傳遞「需要更多鐵」的訊息給根部;反之,若植物因天災或被動物食用而使個體縮小,此時植物對鐵的需求減少,地上部就必須通知根部減少鐵的吸收,否則植物一旦吸收太多鐵,就會對植物有害。施臥虎團隊於2018 年10月一篇發表在《自然.植物》(Nature Plants)的論文,揭開了一層新的面紗。


施臥虎研究團隊在植物中發現一種稱為IRON MAN(IMA)的胜肽,可幫助傳導地上部與根部之間的訊息,萬一植物無法製造IMA 胜肽,就會導致植物死亡。這項發現看似簡單明瞭,卻是科學家長年來的努力結晶,施臥虎表示:「科學家無法在喝兩杯咖啡的時間內就獲得成果,做研究不是去一趟實驗室就能有一項新發現,每個科學發現都是一段漫長的故事。」施臥虎花了整整十年,才證實IMA 胜肽的重要性。


施臥虎及博士後研究員盧毅(Dr. Louis Grillet)研究團隊利用模式植物阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)為主要研究對象,透過基因晶片來找尋當阿拉伯芥缺乏鐵時,何種基因表現量會增加,並研究這些基因的功能。施臥虎說:「這是一段極為費力的過程。」從研究結果中得到的序列片段相對於其他基因序列較小,且重複性高,因此透過特殊的搜尋方法,才得以找到會在地上部與根部同時表現的IMA 基因。


由於阿拉伯芥的基因大多已被研究透徹,因此能在阿拉伯芥發現具有新功能的基因,令施臥虎非常振奮。為了證實IMA 基因對植物的重要性,研究團隊必須同時剔除阿拉伯芥的8 個IMA 基因,觀察沒有IMA 胜肽的阿拉伯芥是否仍然能夠正常生長。如何同時精準剔除這8 個基因,在生物學上也是相當大的挑戰。幸運的是,其團隊最終獲得完整剔除IMA 基因的阿拉伯芥植株,這株阿拉伯芥沒法吸收任何的鐵,正常環境下生長即呈現葉片枯黃的缺鐵現象,只有額外供給鐵的情況下才能生存。


隱藏在胜肽下的謎團


不過,雖然發現了IMA 胜肽對植物的重要性,對於IMA 胜肽詳細的作用機制,施臥虎仍在研究當中,例如植物是如何透過IMA 胜肽偵測土壤中的鐵,或是IMA 胜肽如何扮演植物地上部與根部系統間的訊息橋樑。他推測,IMA胜肽可能參與調控某些轉錄因子的活性,這些轉錄因子進而調控與吸收鐵相關的基因活性,最後影響鐵的吸收。


另外,IMA 基因的數目似乎與植物大小無關,例如阿拉伯芥有8 個IMA 基因;而個體相對較大的稻米卻只有2個IMA 基因;番茄甚至可能擁有超過10 個IMA 基因,「為什麼要保留這麼多IMA 基因在植物體內?」施臥虎因此推測,不同IMA 基因所產生的IMA 胜肽,可能擁有不同的功能。而施臥虎實驗室目前也正與法國的研究團隊合作,希望能找出更多IMA 胜肽的未知功能。


其實在植物學上,胜肽作為訊息傳導的功能也仍然存在許多謎團。日本名古屋大學的松林嘉克(Yoshikatsu Matsubayashi)教授多年前在植物中發現一種稱為CEP 的胜肽,CEP 會調控植物地上部與根部間氮吸收相關的訊息傳導,這與IMA 的功能十分類似。這些胜肽很可能只是植物奧秘的一小部分,除了鐵與氮之外,可能也有其他胜肽也會調控植物對於各種營養素的吸收。


「這些胜肽分子很小,所以發現它們本身就是一件極其困難的事。」所以施臥虎等人必須要明確知道尋找的目標為何,才能運用特殊的方法證實這些胜肽的存在,另一方面,重大的科學成就也須仰賴科技的進展,他觀察,「近年來基因定序的科技有長足的進步,錯誤率降低、也更便宜。」這些進步造就了IMA 胜肽的發現,經過時代推移,十年、二十年後必定會出現更多重要的科學發現。


未來隨著對IMA 胜肽有更多了解,科學家便可能利用IMA 胜肽解決世界各地的營養問題。例如有上億人以稻米為主食,但稻米營養含量有限,從稻米中無法獲得足夠的鐵質,如果增加稻米的IMA 基因表現,便能得到富含鐵的穀粒。目前全球人口已近70 億,加上地球資源逐漸耗竭,若能妥善運用生物技術,就能改善眾多農作物的栽種品質與吸收養分的效率,讓更多人免於營養不足的困境。


延伸閱讀

IRON MAN is a ubiquitous family of peptides that control iron transport in plants. Louis Grillet et al. in Nature Plants, Vol. 4, pages 953–963; October 15, 2018.


【研究者簡介】



施臥虎 Dr. Wolfgang Schmidt
中央研究院人文社會科學研究中心研究員、亞太區域專題研究中心執行長,研究專長是比較東亞社會、全球化、生活品質、社會指標,近年主要研究東亞社會的家庭生活品質與福祉。


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