生長素是如何促進生長?

由加州大學河濱分校領導的研究小組首次證明了植物是如何從一個小分子將一個單細胞變成像樹一樣大的生長運作機制。半個世紀以來,科學家們已經知道所有植物生長都依賴於生長素這一激素分子,然而卻一直不清楚生長素是如何促進生長的,現在由來自科學家首次解開了生長素如何將單個細胞長成參天大樹的秘密,而他們的研究成果近日發表在最近一期的Nature期刊上。

植物細胞被包裹在殼狀細胞壁中,其初級層具有三種主要成分:纖維素、半纖維素和果膠。其中,纖維素就像高層中的鋼筋,提供了廣泛的強度基礎,它由半纖維素鏈增強並由果膠密封,這些成分確定了植物細胞的形狀,而這些形狀有助於將細胞緊密地黏合在一起並為植物提供抵抗風等因素的物理強度。

接著當植物準備好生長時,生長素會使它們的細胞壁變成酸性,從而鬆開組件之間的結合並使細胞壁軟化和膨脹,這個理論首次是在半個世紀前被提出的,但直到現在,生長素如何激活酸化過程的謎題才被揭開。

生長素通過其介導的信號通路中定位於質膜上的跨膜激酶 (trans-membrane kinase,TMK) ,催化質膜上的P型質子泵一個蘇氨酸殘基發生磷酸化而使其激活,從而觸發質子被泵入細胞壁,降低它們的 pH 值來產生這種酸度。

激活膨脹蛋白(expansin)

較低的 pH 值又會激活一種名為膨脹蛋白(expansin)的蛋白質,該蛋白會破壞纖維素和半纖維素之間的聯繫,進而使細胞膨脹,不僅會將質子泵入細胞壁還會促使水吸收到細胞中,從而建立內部壓力,因此若細胞壁足夠鬆散且細胞內部有足夠的壓力,它就會膨脹。

這些成分定義了植物細胞的形狀,導致有些植物是以令人驚訝方式形成,如專家在過去20年當中一直在研究的拼圖式葉表皮細胞,它有助於將細胞緊緊地黏在一起,並為植物提供物理強度,以抵御風等元素。

農業和可再生能源生產受益

簡單地說,生長素「助於」植物生長,而它對植物生長和發育的每個方面都至關重要,對於果實、種子和根的發育、枝條分枝和葉子的形成也是不可或缺的因素,更不用說植物對重力和光的正確反應也取決於生長素,以確保根部向下,而芽向光生長。因此更深入地瞭解生長素不僅可以使農業和可再生能源生產受益,有朝一日也可以因了解基礎生物學的工作原理進一步對人類健康產生影響。

圖片來源:holidayhanson

資料來源:University of California – Riverside(2021,NOV 18).Scientists solve 50-year-old mystery behind plant growth. Sciencedaily

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