科學家正阻止氣候暖化削弱農作物免疫力

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美國杜克大學生物學家何勝洋。 圖片來源:Michigan State University

「自然」雜誌發表最新科學研究,以名為擬南芥(Arabidopsis thaliana)的細長植物進行實驗,發現其細胞內含一種特定基因,令植物 —— 包括農作物 —— 的免疫力因氣溫上升而減弱,更易受病原體和害蟲攻擊。全球每年有多達 40% 的農作物因蟲患而造成約 3,000 億美元損失,但預計至 2050 年,全球糧食產量需增加 60% 以應付人口增長。科學家已成功讓擬南芥抵抗高溫危害,正研究是否也適用於其他農作物。

科學家已知植物會製造防禦激素水楊酸(Salicylic acid),以激活其免疫系統。2010 年代中期,美國杜克大學生物學家何勝洋和研究生 Bethany Huot 發現,當植物受到名為丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae)的細菌感染時,葉子中的水楊酸水平通常會上升 7 倍;但當溫度在 2 天內升至攝氏 30 度以上,便不能製造足夠的水楊酸以防止感染。

「所以,我們想知道植物是如何感受溫度變化,從而令植物更耐熱?」當時其他科學家發現了植物細胞中的光敏色素 (phytochromes),發揮著「內置溫度計」的功能,令植物因應春季氣溫變暖,刺激生長和開花。何勝洋的研究團隊遂決定測試這種光敏色素,會不會是氣候變化影響植物免疫系統的關鍵。

他們以光敏色素運作正常的擬南芥,以及經基因改造、光敏色素在任何溫度下也保持活躍的擬南芥作對照,讓它們感染丁香假單胞菌,觀察兩者於大約攝氏 23 度和 28 度下,水楊酸水平有何差異。結果顯示,兩者面對溫度上升時,皆無法製造足夠的水楊酸而受細菌感染,故排除了光敏色素為關鍵因素。

研究團隊花了數年時間進行類似實驗,更嘗試以次世代基因排序的方式,比較受感染的擬南芥於正常和高溫下的基因讀數。他們證實,許多在高溫下被抑制的基因,都是由名為 CBP60g 的基因調節;換言之,CBP60g 就像控制其他基因的總開關掣。

當溫度過高,擬南芥的細胞便開始無法讀取 CBP60g 發出的指令。這表示當 CBP60g 受高溫影響或「關閉」時,會阻礙它指揮其他細胞執行基因指令,以致無法製造水楊酸;而經基因改造、CBP60g 經常保持「開啟」的擬南芥,即使遇上高溫,仍能增加水楊酸以防止細菌入侵,顯示 CBP60g 正是影響植物免疫系統運作的關鍵。

研究還發現,高溫不但會削弱擬南芥的免疫力,還對蕃茄、油菜籽和稻米等農作物有類似影響。團隊根據對 CBP60g 的發現,培植出一種更耐熱的擬南芥,讓它只在受到細菌入侵時才「開啟」CBP60g ,同時不會阻礙其生長。

他們正展開其他農作物的測試,並在油菜籽中發現了類似的基因序列;於恢復其 CBP60g 的基因活性後,得出同樣的正面結果。研究有望將來保護所有農作物,免受高溫影響免疫力,解決氣候暖化對糧食供應帶來的一大危機。

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