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独辟蹊径:不寻常的植物蛋白质分泌

姜里文教授认为,太空与地球信息科学研究所卫星遥感地面接收站的球装外型,恰如一种被称为「披网格蛋白小泡」的典型运输小泡。
(Keith Hiro摄)
经萤光染剂处理后的发芽期花粉管。花粉管是研究蛋白质传输的最佳细胞系统。
(王浩博士制图)
研究人员以转盘共聚焦显微镜来观察植物细胞的动态
(Keith Hiro摄)
EXPO处于质膜外围,正准备释放蛋白质。黑色微点显示EXPO里蛋白的存在

中文大学生命科学学院姜里文教授最近证实原来植物分泌蛋白质另有蹊径,打破植物研究界对植物蛋白质分泌的传统认识。他更发现一个负责执行这种分泌的细胞器。

传统认识

一般来说,植物分泌蛋白质(或称为胞外分泌)是由植物细胞内数个细胞器,经特定分泌途径进行。蛋白质内由一组氨基酸组成的讯号序列(又名领路序列),决定分泌的方向,就像全球定位系统指挥蛋白质前往内质网──分泌途径的第一站,之后再经其他的细胞器,一站一站地完成余下的路径。细胞器是细胞内的膜结合区室,也是植物不可或缺的「器官」。每一细胞器都有特定的功能,而每个植物细胞可以有过千个细胞器。这种在细胞的内质网进行的分泌方式,一直被科学家认为是蛋白质分泌的唯一方式。

用这种方式分泌的蛋白质,包括细胞膜蛋白质和细胞壁修正酶,是植物生长的基本材料。

破格的发现

姜教授及其研究团队专研植物的常规蛋白质分泌,但在分析实验室培养的样本所分泌的蛋白质时,发现在细胞外围,竟有愈来愈多的蛋白质是没有讯号序列的。换句话说,没有全球定位系统的汽车却能出现于丛林之外。研究团队不禁惊讶,这些蛋白质是如何出现的?它们可是取道常规的分泌途径?哪个细胞器负责执行这种非常规的分泌?

对抗病原体来袭

基于不同实验的数据,姜教授假设有一新的细胞器,经全新的分泌途径负责这种非常规的植物分泌,并与植物的防卫系统有关。

像人类一样,植物接触空气、泥土和水的同时,也会接触到病原体。当真菌、细菌、病毒或昆虫等传染物入侵时,植物的抵抗方式有二:采取局部自杀方法,牺牲受袭部位;或是释放抗菌剂,吓退或杀死来袭者。姜教授正是研究后者,亦即科学家一直认为是属于常规分泌的领域。可是,他发现的情况却不是这样的。

研究团队采用多种方法来追踪外围细胞的蛋白质是否依循常规途径出现。举例说,他们替细胞不同部位染上萤光标记,再观察研究靶子的交叠处是否处于同一个细胞器内。团队又于细胞的分泌途径中加入抑制剂,并发现没有讯号序列的蛋白质对抑制剂无甚反应。种种研究结果显示,蛋白质肯定是采用了另一传输途径。

EXPO的发现

过程中,研究团队发现一个新的双层膜细胞器,负责调节这种非常规的蛋白质分泌途径,并命名为EXPO(exocyst-positive organelle,exocyst阳性细胞器)。exocyst阳性细胞器是一种蛋白质复合物,出现于酵母和动物细胞的蛋白质分泌中。EXPO在植物的功能之一,是释放物质以警告来袭者或保卫自身。

这些全新的发现,把植物受袭时细胞的反应情景呈现出来。当病原体入侵细胞壁,继而进入胞膜,植物会马上收到讯号,加速产生EXPO。每个EXPO都载有抗菌剂,一旦跟胞膜胞壁融合,便会释放抗菌剂至植物表面。

后续研究

非常规的蛋白质分泌出现于所有植物,但长久以来被忽略了,原因是欠缺分子标记,也就是科学家尚未找出哪种蛋白质,可以界定专责非常规分泌途径的细胞器。姜教授的发现具相当突破性,不过,他认为这只是起步点:「深入探索EXPO所含的物质及其对病原体攻击的反应,将是十分有趣的研究。我们假设EXPO在细胞壁的生物合成和植物的自我防御中发挥一定作用,了解它的功能和传输途径,有助推展生物燃料及植物生物技术的研究。」

姜教授或许已肯定了汽车没有全球定位系统也可以找到新路径,直达丛林之外。然而,对于这途径的错综复杂机理,仍有很多未解之谜,有待日后研究一一解开。

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