植物也有缺鐵危機!鐵是植物生長必需的微量營養素之一,但因土壤中的鐵往往活性極低、被吸收的效率有限,使缺鐵問題成為植物界中常見的營養障礙,而部分食用植物含鐵濃度過低,更是人類缺鐵性貧血的主因。

本院植物暨微生物研究所研究員施臥虎(Dr. Wolfgang Schmidt.)及博士後研究員盧毅(Dr. Louis Grillet)研究團隊,發現了一種名為IRON MAN(IMA)的新型小胜肽家族,可幫助植物根部吸收外在環境中的鐵。此發現可望解決人們因攝鐵量不足所造成的缺鐵性貧血,已初步於番茄實驗中證實。研究成果於10月刊登於國際頂尖期刊《自然植物》(Nature Plants),並被選為重點論文。

研究團隊發現,小胜肽家族IMA存在於開花植物中,可透過在植物韌皮部中移動以傳遞信號,進而調節鐵在植物體中的平衡狀態。而所有IMA胜肽都含有一段共同序列,是使其可正常運作的關鍵。模式植物阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)的基因組即含有8個IMA基因。

首先,研究團隊藉由CRISPR-Cas9基因剪輯技術將阿拉伯芥中的8個IMA基因產生突變,使其失去功能,結果得到了體型非常小且極度黃化的阿拉伯芥植株,這樣的植株需要適時補充足夠的鐵才得以存活。

接著,團隊續將野生型阿拉伯芥和IMA基因被突變的阿拉伯芥相互嫁接,並發現位在地上部(莖、葉、花)的IMA1胜肽可促進根部鐵的吸收,而IMAs胜肽則負責在植物體的地上部及地下部(根部)間傳遞長距離信息。因此,可推斷IMAs可感知植物葉片中鐵含量的狀態,並傳導訊息到根部,進而增強根部吸收鐵的效率。

IMA胜肽僅在開花植物的基因組,不存在蕨類植物,藻類或真菌中,因此推測其出現在陸地植物進化的早期階段。儘管IMA胜肽普遍存在於植物界中,但由於它們的大小和結構皆高度多變,因此尚未被認為是一個家族,其相對應基因也大多未被註解。

此方法開闢了產生富含鐵的植物的新途徑,不僅可增加阿拉伯芥種子中的鐵含量,應用在番茄植株後,亦增加了番茄果實中的鐵含量。

論文全名〈IRON MAN is a ubiquitous family of peptides that control iron transport in plants〉,全文:https://www.nature.com/articles/s41477-018-0266-y

番茄橫切面的染色對比圖,顏色越深表示鐵含量越多。左:野生型番茄;右:增加IMA後的番茄。