联合国政府间气候变化专门委员会最新报告预计,2030 年全球气温将上升超过摄氏 1.5 度。全球暖化带来的极端天气令世界各地干旱情况加剧,导致农作物失收,严重威胁人类的生活和粮食安全。因此,了解植物在逆境下的天然生存策略对提高植物产量至关重要。

「人面对逆境有不同的反应,植物都有不同的抗逆方法。我们的研究针对如何透过激素调控形成细胞囊泡及相关蛋白作用,从而有效启动植物的抗逆机制。」香港中文大学(中大)卓敏生命科学教授兼细胞器生物合成和功能研究中心主任姜里文教授说。

姜教授当年被华南农业大学课程简介上的一张森林照片吸引而修读森林学,自此与植物结下不解之缘。其后他负笈加拿大及美国深造,从森林、植物、种子学起,再深入到植物细胞。2000年加入中大后,姜教授一直专注于植物细胞生物学的基础研究。

姜教授于2000年加入中大,一直专注于植物细胞生物学的基础研究。

由姜教授统筹的中大细胞器生物合成和功能研究中心,在香港研究资助局的卓越学科领域计划支持下,展开了多个植物细胞研究项目。早在2010年,姜教授便安排学生前往美国加州大学柏克莱分校,跟随2013年诺贝尔生理学或医学奖得主、COPII囊泡研究先锋兰迪‧谢克曼教授(Professor Randy W. SCHEKMAN)学习囊泡体外重建技术。学成归来后,学生更主动向姜教授提议探索植物细胞内的COPII囊泡及其独特功能。

囊泡是植物细胞中最细的细胞器,用途包括存放、消化或传送物质。以COPII囊泡为例,它犹如「邮差」,负责将特定的蛋白质从内质网(制造膜蛋白和分泌蛋白的蛋白工厂 ),经高尔基体运送到最终目的地。

一种植物对抗逆境的新分子机制

姜教授和团队近日发现植物在逆境环境下,如干旱、炎热等恶劣情况,细胞内的小G蛋白「AtSar1a」会出现高表达,令COPII 囊泡的体积变大,形成巨型囊泡,其大小约是普通COPII囊泡两倍或以上。它可以装载大量可应对逆境胁迫的多通道膜蛋白,并将它们运输至细胞内的特定部位,从而启动植物自身的抗旱机制,例如控制叶片气孔的大小及开合,减少水分流失。

姜教授解释:「COPII 囊泡在植物中的蛋白质传输过程担任重要角色,它会因应植物的干旱程度作出反应和拣选特定的蛋白质运送。如非常干旱时,便会安排比平日数量更多、体积更大的车辆装满大量有助抗旱的蛋白,将它们运送到目标地点。如干旱程度较低,便运送较少的抗旱蛋白。」

当处于干旱环境,植物细胞内小G蛋白「AtSar1a」会出现高表达,形成巨型COPII囊泡,以携带大量与应对逆境胁迫相关的多通道膜蛋白到细胞内的特定部位,及时应对环境变化。

助开发提升植物抗旱抗逆能力的方法

基于这个新发现,姜教授和团队凭借在细胞分子学及蛋白组学的经验及技术,配合世界领先的三维电子显微镜,首次成功利用植物细胞提取的材料在体外重组COPII囊泡,并发现细胞受到植物激素「脱落酸」的诱导下,植物会形成巨型COPII囊泡。「这意味着我们将可以透过人工调控的方法启动这个分子机制,如为植物喷洒脱落酸,从而提高植物的抗旱表现。」姜教授说。

姜教授表示:「气候变化为全球粮食供应带来危机,我们的研究从基础科学的角度为抗逆农作物的培育和筛选提供了崭新方向。将来,我们或可以透过转基因方法,将这个新发现的植物抗旱机制放大,长远有助增加植物在干旱地区的产量。」

结合科技 扩阔学习视野

姜教授与中大资讯科技服务处合作制作一个流动应用程式,将植物细胞以虚拟实境技术呈现。

随着生物科学发展迅速,姜教授认为学生不能单靠书本吸收知识,更要从多媒体、多角度持续学习。早前,姜教授便与中大资讯科技服务处合作制作一个流动应用程式,结合虚拟实景技术,让学生近距离观察植物细胞的三维世界。姜教授期望可扩大程式的数据库,例如制作COPII囊泡的模型,作教学之用。