近年來環境變遷導致乾旱、水災、高溫等災害發生頻繁,威脅全球糧食安全。本院分子生物研究所余淑美院士與其研究團隊,利用乾旱、高溫、病菌感染的生長環境誘導α- 澱粉水解酵素(簡稱αAmy)大量表現的現象,發展出平衡植物糖濃度的技術,可藉由開啟與關閉αAmy 基因的表現,維持糖的適當濃度,因此提高水稻耐逆境能力!此技術可育出「抗逆境、高產量」水稻品種,也可應用於其他穀類的改良,有助於解決環境變遷造成糧食減產的問題,目前已申請美國專利。研究成果也已於今(108)年十月發表於《美國國家科學院期刊》加長版(PNAS, Plus)。

 

人類必須控制血糖濃度保護健康,植物也需要平衡糖濃度才長得強壯。αAmy是分解植物澱粉最主要的酵素,控制植物體內糖的產生與利用1,其表現受缺糖誘導、被高糖所抑制。本研究發現,植物維持所需糖濃度的機制,是透過兩個蛋白質因子- MYBS1 及MYBS2 互相競爭調控αAmy 的產生。在缺糖時,MYBS1 進入細胞核促進αAmy的表現,分解澱粉為糖;而在高糖時,MYBS2 進入細胞核抑制αAmy的產生。

余院士說明,當植物缺糖的情況下,MYBS2蛋白質的第53個氨基酸被磷酸化,導致被送出細胞核,然後被一群GF14蛋白質抓住留在細胞質,使其無法再進入細胞核內與MYBS1競爭,因此MYBS1能夠促進aAmy的產生。

 

 

此外,乾旱及高溫會抑制MYBS2,促使αAmy大量表現,進而顯著提高水稻生長速度、耐逆境能力及穀粒產量。研究團隊表示,這個發現終於解開了植物在遭受環境逆境及病菌感染下,卻大量產生αAmy之謎,目的就是讓植物對逆境更有「抵抗力」。

余院士指出,本論文為全球首次發現高糖及缺糖能開啟與關閉基因表現的分子機制,以維持植物體內糖濃度的平衡,並且也與植物的生長需求、抵抗逆境及提高產量息息相關。當前全球各大洲因高溫及農業水資源匱乏,已對糧食生產造成嚴重衝擊。此技術可利用較易商業化的基因編輯技術來控制MYBS2 及αAmy的表現,改良水稻及其他穀類的品種,增加作物生長效率,並足以耐各種逆境,維持糧食高產量。

 

本論文主要通訊作者為余淑美院士及共同合作的中央大學生命科學系陸重安教授,第一作者為中央大學剛獲得學位之陳逸詩博士。參與研究人員包括:本院植物暨微生物學研究所賀端華院士及李頂華博士、本院分子生物研究所劉麗紅博士及陳奕儒、本院生物化學研究所林淑妤博士、中央大學李宗樺。研究經費由本院、科技部,及中興大學生技中心計畫共同支助。

論文連結:https://www.pnas.org/content/early/2019/10/07/1904818116.short?rss=1

 

(文:分子生物研究所;攝影:資訊處)