雨下不停怎麼辦?水稻雖然長在半水半土的水田環境,然而,如果秧苗被「滅頂」太久,仍會因缺氧而死。因此,每次颱風或豪雨來襲,總是讓稻農們特別憂心,深怕水患帶走長期耕耘的心血,也恐造成臺灣稻米產量的損失。

本院農業生物科技研究中心施明哲特聘研究員,與生物化學研究所何孟樵助研究員合作,結合植物生理學及生物物理學,找到水稻偵測、啟動對抗淹水逆境的機制,並發現其中的關鍵蛋白質─SUB1A-1如何不被氧化分解,進而保護水稻挺過淹水逆境。此研究成果有助進一步掌握水稻的抗淹水機制,並已於今(108)年2月初刊載於《美國國家科學院院刊》(PNAS)

為了對抗淹水逆境,部分在來米品種會仰賴一個名為SUB1A-1的重要蛋白質求生。帶有這個蛋白質的水稻就算遭遇淹水,仍可以泰然處之。如同一隻進入冬眠的熊,稍稍暫停生長、保存能量,等待大水退去的一天。即便淹水的時間長達兩個星期,只要大水退去,秧苗依然能繼續生長。SUB1A-1的發現,讓稻農更有信心面對淹水,但令研究人員好奇的是,SUB1A-1究竟如何啟動水稻細胞中的抗淹水功能?

何孟樵助研究員表示,本研究首要發現,當水稻遭遇淹水逆境時,其細胞內的SUB1A-1是其實只是一系列「抗淹水機制」的開始。因為SUB1A-1會啟動另外兩個重要的蛋白質,名為ERF66與ERF67。透過這兩個基因作用,還會再進一步啟動更多相關基因,進入抗淹水的「緊急狀態」,幫助水稻度過水患。

更重要的是,研究團隊證實,在ERF66與ERF67這兩個轉錄的蛋白質序列中,有一段特殊的「降解決定區域(N-degron)」,就像內建一台淹水警報器,可以偵測水稻是否已遭遇淹水,並決定要不要啟動對抗淹水的應變機制。

在一般情況下,降解決定區域會與細胞內的氧氣發生氧化作用,進而讓ERF66與ERF67都被分解消滅;但是,一旦秧苗被大水滅頂,細胞內形成了「缺氧」的環境,便因為該區域不再發生氧化作用,ERF66與ERF67得以繼續運作,啟動後續的抗淹水基因群,幫助水稻挺過淹水逆境。研究團隊推測,水稻即是仰賴此一「SUB1A-1/ERF66/ERF67系統」,感測淹水所造成的缺氧環境,進而啟動體內相關的抗淹水機制。

圖說:秧苗淹水七天後後,於第十四天的恢復狀況。
圖中可以明顯的看出來有轉殖株的秧苗(右邊六株),大大提升淹水後的復原狀況。
TNG67為台農67秧苗,SUB1A-1 OE、ERF67 OE或ERF66 OE則分別為台農67轉殖株秧苗(轉殖入SUB1A-1、ERF67或ERF66)。

 

研究團隊也推測,SUB1A-1蛋白質,是藉由其自身特殊的3D立體結構,將其降解決定區域遮蔽起來,使其不會被氧化、分解。除了在淹水時啟動稻米的保護機制,而在非淹水的時候,SUB1A-1也同樣利用這個特殊的結構,讓自己持續運作,幫助稻米對抗乾旱、活性自由基、缺光等其他的環境逆境。

現今的氣候變遷大大增加未來糧食危機的可能,過去研究雖已發現SUB1A-1可有效幫助水稻抗淹水,但對其機制卻不了解。本次研究團隊進一步發現,SUB1A-1獨特的抗淹水方式,將有助於了解水稻是如何應對淹水逆境而存活,甚至,可以用來找尋其他經濟作物是否有同樣的抗淹水機制,並對其生長、抗逆境有更精準的掌控。

本篇論文已於2月5日刊載於《美國國家科學院院刊》(PNAS),文章標題為:Regulatory cascade involving transcriptional and N-end rule pathways in rice under submergence

本研究由本院、科技部與臺灣蛋白質計畫支持。

論文全文請見:https://www.pnas.org/content/early/2019/02/04/1818507116

(農業生物科技研究中心)