走進植物的求生世界 解讀逆境訊號─專訪鄭萬興(Dr. Wan-Hsing Cheng)

植物沒有腳,無法逃離乾旱、鹽害或其它環境壓力,因此它們必須從體內建立一套精巧的「求生系統」。由於全球暖化的關係,逆境對作物的危害預估會更趨向嚴重。中央研究院植物暨微生物學研究所的鄭萬興副研究員,便在這個極其細緻的領域研究了數十年。他從植物糖訊號、荷爾蒙、逆境反應一路研究到核醣體生合成,解析植物如何在困境中存活,並找出背後不為人知的分子機制。如今,鄭老師即將退休,他以溫和、踏實卻堅定的語氣,娓娓道來一生與植物為伴的研究旅程。

鄭老師成長於農村,從小便在田裡與作物為伍,也培養出他對植物的情感與興趣。回憶起童年,他說:

「我小時候在農村長大,田裡的農事是生活的一部分,自然而然就和植物建立起緊密的感情。」

大學與碩士選讀園藝系所,讓他熟悉植物栽培管理,並在碩士時期開始接觸植物組織培養,研究體胚與不定芽的發生。植物細胞具有全能性的現象,就像動物界的幹細胞一樣,能從一個細胞,由分裂和分化變成完整胚胎,讓他第一次意識到植物體內運作的複雜與神奇。然而,園藝學教的是「如何把植物種好」,卻無法回答植物內部基因與生化代謝路徑如何運作。為了對植物產量和對逆境反應的內部機制有進一步的了解,他走向遺傳與分子生物學,並前往美國攻讀博士與進行博士後研究。

在海外期間,他初期主要研究蔗糖(sucrose)的代謝(圖二玉米)與訊息傳遞,糖在植物中並不只是單純的能量,也是一種具有受體或接收器、訊號傳遞路徑、類似荷爾蒙功能的分子。

圖二:蔗糖轉化酶調控玉米種子大小。
蔗糖轉化酶催化蔗糖成葡萄糖和果糖做為代謝用。蔗糖轉化酶因突變而失去大部分酵素活性,造成活性愈低,種子愈小。Mn:正常迷你型基因;mn1-89 and mn1-1:不同突變的迷你型基因型. (https://doi.org/10.1105/tpc.8.6.971)

「糖代謝的異常在人類會引發糖尿病,而植物的糖代謝或訊息訊號出問題,也會進一步影響調控逆境的關鍵荷爾蒙─離層酸(abscisic acid, ABA)。有趣地,人類也有ABA,而它的功能則與糖尿病有關

這段研究時光奠定他日後的研究核心,也讓他在回到植物所(植微所的前身)後,順理成章地從「糖」轉向「ABA」,並以ABA為起點探索植物面對逆境時的整體調控機制(圖三:ABA的生理功能)。

圖三:離層酸的生理功能
離層酸為一重要植物荷爾蒙,它參與了種子發育、休眠、植物生長和發育,和逆境的抗性等功能。在逆境下,ABA量增加,它會影響核醣體對蛋白質轉譯的調控;同樣地,核醣體會調控ABA生合成和信息傳遞相關基因的轉譯。

回國加入中研院後,他延續博士後研究,開始以調控ABA生合成作為切入點,研究植物如何在乾旱、鹽害等環境壓力下啟動保命機制。在非生物性逆境下,ABA含量提高,ABA能調控氣孔上細胞膜的離子轉運蛋白、增加其細胞滲透壓、促進氣孔關閉,避免水分蒸發,讓植物節省水分;並啟動保護蛋白(osmoprotective proteins)的表現,如LEA和dehydrins等,和滲透壓調節物質(osmolytes: 如proline和 glycine betaine等)的增加,以便維持內部結構穩定和代謝的正常進行;並且SOS(salt overly sensitive)信息和二次信息(secondary messengers)傳遞路徑,如Ca2+和ROS(reactive oxygen species)等也會被啟動來調節下游逆境相關基因的表現,以便適應逆境環境。所以ABA是植物在非生物逆境中不可或缺的調控者。他也成功透過調控ABA生合成基因製造出具抗逆境能力的轉殖株(圖四),證明ABA與抗逆境的直接關聯,但也觀察到若ABA過多,植物會變小,這些例外現象也在提醒研究者植物調控背後的不對稱性與複雜性。

圖四:過度表現水稻ABA生合成基因NCED3於阿拉伯芥植株,轉殖株較抗乾旱逆境
WT: 正常株;nced3:突變基因;N3OE:水稻NCED3過度表現轉殖株;NCED3: nine-cis-epoxycarotenoid dioxygenase; OE: overexpressor。

「植物常常告訴我們,事情沒那麼簡單。」

鄭老師為了尋找除了ABA之外可能參與抗鹽的基因,他從阿拉伯芥的種源庫中心(Arabidopsis Biological Resource Center, ABRC, OH)購入一萬多個有T-DNA插入的突變株,並將這些種子播撒在含鹽的培養基上,最終找出10個對鹽分高度敏感的突變株,稱為salt hypersensitive (sahy) mutants(圖五)。

圖五:sahy突變株的性狀
A, sahy1突變株生長在含鹽培養基上的性狀。Com表示互補株;B, sahy突變株生長在土壤上的性狀。這些sahy突變株在核醣體生合成具有缺陷;Col-0,正常株。

有趣的是,其中竟然有3至4株的突變與核醣體(ribosome)生合成有關,比例之高(即30~40%)實在是出乎意料,也讓研究方向意外轉向另一個少有人踏足的領域─核醣體與對鹽逆境的反應。

核仁與核醣體扮演的不只是「蛋白質製造工廠」的角色,更像是植物感知逆境的「指揮中心」。

過去,人們常認為核醣體就是製造蛋白質的工廠,但目前的研究逐漸發現,核醣體不只是「工廠」,還是能夠「調整工廠功能」的感知器。植物在逆境時,核仁與核醣體能感知(sense)環境變化,並組裝出略有不同成分的核醣體,進而影響哪些mRNA會被大量轉譯、哪些則會被抑制,這種「差異性轉譯」(differential translation)的現象(圖六),使植物在逆境中能優先製造更需要的保護蛋白,提升存活機會。

圖六:核醣體的差異性轉譯
在正常環境下,核醣體正常轉譯;但在逆境下,核醣體對一些特定的信使核糖核酸(mRNA)會行使差異性轉譯,讓植株較適應逆境。

研究核醣體並不容易,鄭老師坦言:「用遺傳學做研究的路通常所花的時間較長,但最可靠。」

在研究核醣體的過程中,他經歷不少挑戰。例如,目前學術研究推測核醣體突變株可能共享同一訊息傳遞路徑,因為突變株的性狀有些共同性,為了驗證這項假說,他們使用EMS誘變劑把sahy1再次突變,意外找到能恢復正常生長的壓制突變株。此第二次被突變的基因,稱為sahy1 suppressor,但至今仍未完全鎖定其基因位置。此外,他的實驗室也首次在植物中發現核醣體蛋白質的伴隨因子(chaperone),它不僅保護核醣蛋白至目的地供組裝使用,還能運送不同種類的蛋白質,如微管蛋白(tubulins),其功能遠比酵母菌與人類中已知的核醣蛋白的伴隨因子更為多樣,顯示植物在核醣體生物學上趨異化(diversification)的獨特性。

回顧研究生涯,有四項成果令他特別難忘:

是成功透過調控ABA生合成基因提升植物抗逆境能力,卻也意外發現ABA過高會讓植株矮小;

是蛋白質的醣基化(glycosylation)也會影響植物對逆境的耐受性;

是sahy突變株顯示核醣體是逆境反應的重要參與者,甚至可能充當「感知器」(sensor);

是首次在植物中發現多功能核醣體蛋白伴隨因子,開啟新的研究方向。這些發現跨越荷爾蒙、生理調控與核醣體生物學,也形成他研究生涯最核心的脈絡。

科研之外的人生節奏:運動、自然與新的開始

談起生活,鄭老師說,作為一位PI,工作節奏往往緊湊,實驗、指導學生、寫計畫、寫論文發表等等常常一天的時間都不夠用。因此,他養成規律運動的習慣,包括游泳、慢跑和爬山,運動既是健康的維繫,也是讓他在繁忙間保持專注與思緒清晰的方式。

他說:「這些興趣已經是生活的一部分,就像做研究一樣,需要恆心與毅力。」而他的人生信念也同樣樸實:「凡事盡力而為,成功與否就聽天由命。」

他坦言心裡確實會不捨多年耕耘的研究,但同時也期待著生活能慢下來。他想花更多時間走進大自然,重新感受季節與山林帶來的節奏,也希望能栽植一些花草,當作休閒時打發時間用。也說,會持續閱讀最新期刊文章增廣見聞,因為這不只是工作,更是長年累積的興趣與習慣。此外,他還計畫挑戰幾座台灣的小百岳(圖七:汐止的大尖山),把多年來陪伴他的植物研究,延伸成另一種與山林同行的旅程。

圖七:大尖山的風景
從大尖山的山頂可以俯瞰大台北、汐止和部分基隆地區,如101建築和基隆嶼等。

給植微所與年輕研究者的建議中,他提到研究所應保持均衡發展,而年輕學者則需要扎實知識、敏銳眼光與快速找出實驗問題的能力,同時也要懂得與他人合作,因為科學問題往往需要跨領域、跨技術的共同努力。他特別留下這句話:「珍惜例外,它常會帶給你驚喜。」(Treasure the exceptions that will bring you surprises or miracles.在他看來,那些研究中「不完全符合預期」的現象,往往就是通往真正突破的入口。

鄭萬興博士的科學旅程,是一段從植物外在到內在、從田野到細胞核仁的探索,也是一段以耐心、毅力與好奇心貫穿的人生故事。未來,這些研究成果與科學熱忱仍會持續在植物科學界發揮影響力,帶動更多新的探索。