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雨下不停怎麼辦?水稻抗淹水密技助稻農挺過天災

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。

中央研究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(2019)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。

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。

論文網址 : https://www.pnas.org/content/early/2019/02/04/1818507116

作者群 : Lin CC, Chao YT, Chen WC, Ho HY, Chou MY, Li YR, Wu YL, Yang HA, Hsieh H, Lin CS, Wu FH, Chou SJ, Jen HC, Huang YH, Irene D, Wu WJ, Wu JL, Gibbs DJ, Ho MC, Shih MC

更新時間 : 2019.03.11(編譯自中研院新聞稿)

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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(左邊六株),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)。