Institute of Plant and Microbial Biology

研究主題

醣知覺與信息傳遞；醣信息與植物荷爾蒙（離層酸和乙烯）相互反應；離層酸功能性的探討

Ⅰ葡萄糖不敏感性基因探討

	醣分子在所有生物中，不但被拿來當作基本代謝中的碳源，而且它也是信息傳遞分子，可以調控很多基因的表現，最後控制植物的生長和發育。在微生物中，醣信息傳遞中的成員，已經被研究很清楚；不過，在高等植物，這些成員仍然不太清楚。為了更進一步了解醣信息傳遞中的成員，我們成功地利用T-DNA標記之種子，篩選出少數幾棵葡萄糖不敏感性（glucose insensitive，gin）突變株（圖1A）。這些突變株在含6％葡萄糖的洋菜培養基中，可以穩定地發芽和幼苗發育生長，但是野生型則只會發芽，之後便發育停止。遺傳等位基因的測試（allelism test）證明gin1和gin4分別是aba2和ctr1的等位基因（allele）；表示了醣信息和植物荷爾蒙離層酸（ABA）和乙烯具有緊密的相關聯。葡萄糖不敏感株gin1/aba2 具有早萌芽，早開花（圖1B）和萎凋的性狀（圖1C）；此基因（GIN1/ABA2）已被選殖出來。GIN1/ABA2基因被轉譯成一個獨特的短鏈去氫還原?（short-chain dehydrogenase/reductase）；此酵素催化xanthoxin 成abscisic aldehyde，為ABA生合成路徑的倒數第二步驟。進一步的分析gin1/aba2 和互補試驗顯示出ABA具有雙重功能：1)於高糖和逆境下，ABA會造成種子發芽後之發育停止；2)在不具含糖培養基和非逆境下，ABA則具促進植物生長的功能。 GIN1/ABA2 已前被認為是ㄧ個經常性表現基因，因此它的表現被認為應該存在任何一個組織中，且過度表現此基因，應該不會造成ABA量的提高。可是，在GIN1::GUS 的轉殖株中，GUS報告基因的表現位置確是組織特定，且限制於維管束內表現（圖1D）；此數據顯示出，ABA 或ABA前驅物動力式(dynamic)移動至目標組織或細胞內，如保衛細胞和種子內。此外，GIN1/ABA2過度表現的轉殖株，具有提高ABA含量（大約增加45％），促進種子休眠深度和較抗逆境（圖1E）等特性。為了更進一步解析ABA信息傳遞中的成員，具對葡萄糖和鹽類敏感的gin1/aba2 突變株(即 gin1/aba2 suppressors)已被分離出來（圖1F），正在定性中；此研究將有助於我們對於ABA在醣類和鹽類信息傳遞中的功能有所進一步的了解。另外，醣信息傳遞與ABA和乙烯的交互反應研究也正在進行中。基因晶片將被用來分析在葡萄糖，GIN1和乙烯調控下，整個基因組下基因表現的情形。
Ⅱ葡萄糖過度敏感性基因的探討
	由T-DNA標記種子於4％葡萄糖生長的篩選中，一些葡萄糖過度敏感性突變株被分離出來。在此糖濃度下，野生型種子可以正常生長，但過度敏感株則發芽後發育停止或不良（圖2A）。其中一個突變株我們稱為葡萄糖抑制根延長（glucose inhibited root elongation, gir）突變株。此突變株於土壤或不含糖的洋菜培養基中生長，其根部近乎正常，但是在含糖的培養基，其根部變粗而短（圖2B和2C）。此突變株除了根部生長有性狀外，於土壤中生長，亦具有嚴重不稔性，多花枝，老化延後（圖2D），和對乾旱和鹽類具很強的耐性，這些特性對一些蔬菜作物很有用處。解剖上分析顯示出此突變株於根部（圖2F），花粉和花器官（圖2E）具有與正常株不同的性狀。GIR 基因的選殖已完成，此基因可轉譯成一個含有C2-domain的蛋白質，推測具有與磷酯結合、信息傳遞或蛋白質運輸的功能。GIR::GUS 轉殖株顯示出，GIR基因主要表現在根部和成熟的花粉（圖2G）；GIR::GFP-GIR轉殖株表示GIR蛋白質位於細胞質膜上面（圖2G）。基因晶片分析，此突變株影響細胞壁，抗病相關，轉錄調控，和其他信息傳遞相關基因的表現。目前的工作目標在於找出其蛋白質－蛋白質相互反應的成員，與GIR參與那些信息傳遞路徑，而造成基因多效性（pleiotropic effect）的性狀。

圖一、GIN1/ABA2 的功能、與植物荷爾蒙的相互反應、和gin1/aba2 suppressors的探討 1A. Genetic screens of glucose insensitive (gin) mutants. 1B. gin1/aba2 mutant with earlier flowering than that of wild type. 1C. gin1/aba2 mutant with wilty phenotype. 1D. GUS staining with mature plant and silique of GIN1::GUS transgenic plant. 1E. Phenotypic comparison of wild type, gin1/aba2, and overexpression line 4-4 in response to salinity. Plants were watered with NaCl solution for 16 days. 1F. EMS-treated gin1/aba2 were screened on 6.5% Glc or 250 mM NaCl for isolation of gin1/aba2 suppressors (abs).

圖二、葡萄糖過度敏感株突變體之篩選和其功能性探討 2A. The glo mutants were isolated from T-DNA tagged seeds grown on 4% Glc agar plates. 2B. One of glo mutants is designated as glucose-inhibited root elongation (gir) with developmental arrest on 6% Glc (left panel) and short root on 4% Glc (right panel). 2C. Phenotypic comparison of wild type and gir. 2D. Comparison of flower organs and pollens between wild type (WT) and gir. 2E. GIR::GUS transgenic plant showing GUS staining in roots and mature pollens. 2F. GIR::GFP-GIR transgenic plants showing GFP signal in plasma membrane of root epidermal cells.