2011年6月1日 星期三

生物時鐘解析/植物生理步調 與環境同步

http://mag.udn.com/mag/campus/storypage.jsp?f_MAIN_ID=13&f_SUB_ID=1219&f_ART_ID=321562

【聯合報╱本報記者陳幸萱】和動物一樣,植物也有生物時鐘。最早在植物上觀察到的生物時鐘,是葉子會隨著日夜變化而擺動,即使去除光照之後,彷彿「還記得」之前的環境變化一般,葉子還會持續以過去的規律擺動一段時間。

中央研究院植物暨微生物學研究所副研究員吳素幸說,植物無法像動物一樣自由移動,所以對環境變化有更敏銳的反應。

植物細胞內有特殊的蛋白質,可以接收特定波長的光,判斷外在環境是可見光、紫外光多的白天,或遠紅光較多的傍晚,或是沒有光線的晚上。吳素幸說,這些蛋白質會收集解讀環境的光特性及訊息,透過基因表現,「告訴」植物體內的細胞現在該做什麼。

雖然在果蠅、哺乳類身上都同時存在正向、負向的回饋圈來調控生物時鐘,但根據過去的研究結果,植物家普遍認為,植物的生物時鐘主要由三個負向回饋圈組成,完成周期約24小時的持續循環。

植物會利用生物時鐘和環境進行同步化,將生理的步調調整至最佳狀態。藉由感受日光長短,植物可以知道什麼時候該儲存養分、傳粉者出現的季節是否到了、什麼時候可以結果等。

吳素幸說,農作物等到適合的時間進行開花結果,也會有比較好的產量。

科學家發現,如果以人為方式增加或減少植物每天的光照時間,可以改變植物開花的時間。農民也會利用光照時間的改變來調整花卉的花期。科學家也發現,當生物時鐘相關基因發生突變時,植物也會改變開花的時間。

吳素幸的研究團隊發現,基因可以控制阿拉伯芥生物時鐘的穩定性,當這個基因產生突變時,概日韻律(circadian rhythm)變成是18 小時,而非一般的24小時。

由於植物和環境互動大,生物時鐘穩定性的瓦解,也造成這個植物出現提早開花的現象。

吳素幸團隊從細胞學和分子機制,研究「1天只有18小時」的阿拉伯芥,發現阿拉伯芥生物時鐘的中心節律器(central oscillator)中,存在一正向迴饋的調控迴圈(positive feedback loop),由LWD1、PRR9兩個時鐘蛋白質(clock proteins)組成。

LWD1蛋白質會與PRR9之啟動子結合,促進PRR9基因表現;PRR9的基因表現量增加,也會促進LWD1基因表現,形成相互促進的正向迴圈,這個正向迴圈可以穩定植物以一天24小時為單位持續運作的生物時鐘。

吳素幸表示,這個研究結果有別於先前認知植物只有負向回饋圈的概念,經過近一年反覆驗證,研究團隊才提出找到第一個正向回饋圈研究結果。該論文已於今年2月刊載在美國植物科學期刊《植物細胞》(The Plant Cell)。


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