揪出開花素的本尊—開花素不是FT mRNA，而是FT蛋白質

轉載自：台北市中山女高 生物科 蔡任圃

筆者曾於本刊報導開花素之謎的重大突破(《謎樣的開花素顯蹤跡？》科學月刊 440: 629-630)，2005年科學家利用可由熱引發表現的啟動子註1，引發FLOWERING LOCUS T (FT)註2基因的轉錄作用，並利用即時反轉錄聚合酶連鎖反應(real time RT-PCR)註3技術，偵測阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)葉子、篩管、莖頂中FT mRNA的含量，結果發現葉子產生的FT mRNA透過韌皮部運輸至莖頂，再轉譯為FT蛋白，於莖頂和FD蛋白作用，引發開花的過程。換句話說，當葉子接收光週期的訊息後產生FT mRNA，並藉由篩管運輸，將訊息傳達至莖頂引發開花過程，因此，FT mRNA就是開花素。這個結論實為植物生理研究的一大突破，因此被Science雜誌列為「2005年年度十大科學突破」之一。
但這個結論卻因無法再現其結果而遭受質疑，尤其是其他科學家無法利用real time RT-PCR技術於篩管內偵測出FT mRNA，使得「FT mRNA就是開花素」這個結論無法獲得證明。該研究團隊的主持人Ove Nilsson於2007年宣稱，該研究的第一作者黃濤(Tau, Huang)選擇性的使用數據，因此Nilsson與其他作者已同意將這篇研究報告撤銷。黃濤於瑞典農業科學大學植物科學中心實驗室進行博士後研究，並與其他學家於2005年9月發表了FT mRNA就是開花素的研究成果，研究結束後，黃濤回到中國進入廈門大學任教。黃濤也是唯一一位不同意撤銷該報告的作者，他認為只是數據不成熟，而無捏造或選擇性使用數據。這個事件剛好發生於2006年黃禹錫事件之後，格外受到矚目。
巧的是，Science雜誌於2007年4月20日撤銷該報告中有關開花素的結論，新的證據已於4月19日在Science Express Reports線上發表，Corbesier等人與Tamaki等人，分別於阿拉伯芥與水稻證明開花素不是FT mRNA，而FT 蛋白質才是開花素的本尊，這些研究結果在5月18日正式刊登於Science雜誌。
Corbesier等人利用綠色螢光基因(來自水母)與FT基因融合並進行轉殖註4，在無法產生FT蛋白的阿拉伯芥突變株(ft-7 mutants)體內，追蹤轉殖產生之FT蛋白的位置與運輸路徑，並利用SUC2(SUCROSE TRANSPORTER2)與GAS1(GALACTOL SYNTHASE1)作為啟動子，SUC2與GAS1已被證實只在葉脈的伴細胞中活化，故使用這兩種啟動子，可控制FT蛋白只於葉子的維管束中形成。結果證實FT蛋白於葉子韌皮部形成，並經篩管運輸至莖頂(圖一)，而篩管內無法偵測到FT mRNA。
Tamaki等人研究水稻的FT同源基因註5—Hd3a(Heading date 3a)，利用Hd3a基因與綠色螢光基因融合後進行轉殖，也得到相同的結論。稻米屬於短日照植物，與阿拉伯芥(長日照植物)不同，在短日照情況下，Hd3a蛋白於葉片表現，並由篩管運輸至莖頂，引發開花，而在篩管中仍無法偵測到Hd3a mRNA。確認了FT蛋白產物或其同源蛋白為可移動之開花訊息。
除了阿拉伯芥與水稻的研究，科學家也於南瓜尋找證據。南瓜大多屬中日照植物註6，較難應用於開花研究，但加州大學戴維斯分校的Lucas研究團隊發現中國南瓜(C. moschata)於短日照情況下開花，屬短日照植物。Lucas與Lin等人利用矮南瓜黃化嵌紋病毒(Zucchini yellow mosaic virus, ZYMV)作為載體註7，將阿拉伯芥的FT基因殖入，使得中國南瓜於長日照情況下開花，該病毒只感染生長中的葉片，不會入侵莖頂組織，因此證明受病毒感染的葉子所產生的FT蛋白，可遷移至莖頂並引發中國南瓜開花。此外，該團隊也於南瓜找出了FT的同源基因，屬中日照植物的西洋南瓜(C. maxima)，其FT同源基因(FT-like, FTL)為Cm-FTL1與Cm-FTL2，中國南瓜則為Cmo-FTL1與Cmo-FTL2。利用液相層析-質譜儀註8進行分析，發現屬於短日照植物的中國南瓜，只有在短日照情形下，Cmo-FTL2與Cmo-FTL1蛋白才出現在篩管液中，在篩管中依然無法偵測到Cmo-FTL2與Cmo-FTL1的mRNA。
將中國南瓜(短日照植物)架接於西洋南瓜(中日照植物)上，在長日照的情形下可觀察到中國南瓜開花，同時可於中國南瓜的篩管液中發現西洋南瓜的Cm-FTL2蛋白，這個研究並非利用異種基因的轉殖，而是直接觀察植物本身的基因表現，更具價值。這篇研究發表於2007年5月份的Plant Cell期刊。
調節開花的相關機制，經科學家多年的努力已有眉目，尤其是阿拉伯芥已解謎出較完整的調節開花機制，其他植物的調節機制亦逐漸明朗(圖二)。FT蛋白於阿拉伯芥葉子的維管束產生，經篩管運輸至莖頂分生組織，與莖頂分生組織所產生的FD蛋白結合，FT-FD複合蛋白促進SOC1蛋白的產生，此過程受光週期、植物生理狀態、春化作用與吉貝素的調節，最後活化莖頂分生組織的LFY與AP1基因，引發植物的開花過程。
雖然許多研究團隊無法在篩管液中偵測到FT mRNA，而可發現FT蛋白，且FT蛋白符合開花素的生理特性，因此開花素的本尊應為FT蛋白質。但此結論仍須更多的驗證，因為難以排除偵測mRNA技術與儀器的敏感度太低，以致無法偵測mRNA的可能性，尤其是科學家已證明部分植物基因的mRNA與其蛋白質，可一同運輸至其他器官。無論如何，2005年至2007年這短短三年的科學進展，是自俄國科學家察拉罕(Chailakhyan, M. Kh., 1902-1991)於1936年提出開花素假說以來，最具突破性的關鍵。
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original article：
蔡任圃（審查中）。揪出開花素的本尊—開花素不是 FT mRNA，而是 FT 蛋白質。科學月刊。
http://www.csghs.tp.edu.tw/~captain/publish/100.pdf

XXXXX級的鴨嘴獸X檔案

轉載自：http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=1644
Oct 29, 2004
編輯 Gene 報導

鴨嘴獸的怪異從鴨嘴延伸到了性染色體，雌鴨嘴獸居然有十條X染色體！
雌鴨嘴獸有十條X染色體，雄鴨嘴獸則有各五條的X和Y染色體。鴨嘴獸的性染色體之多，在哺乳動物中是創記錄的。
鴨嘴獸原產自澳洲，是屬於單孔目的原始哺乳動物。單孔目僅存的只剩下另外兩種：長喙和短喙的針鼴蝟。單孔目在2億1千萬年前就從哺乳動物中獨立成一支。科學家原本認為牠們產卵的生殖方法和鳥類及爬蟲類是同源的，不過喙可能是獨自演化出來的。
鴨嘴獸有26對染色體，不過科學家一直搞不清楚到底那些是體染色體，那些是性染色體。澳洲國立大學的Frank Grutzner等人利用螢光標記來研究牠們的染色體，結果很驚呀地發現有五對在細胞分裂時會成一條鏈，並決定個體的性別。帶有XXXXX染色體的精子和卵子結合後產生雌性胚胎，而帶YYYYY染色體的精子則產生雄性。
人類的性別決定在於，女性有兩條X染色體，男性有一條X一條Y。鴨嘴獸的一對最大的X1染色體和人類的XY染色體相像，有11個基因在哺乳動物X染色體中也能夠找到。不過其他的則像是鳥類的ZZ/ZW性染色體。Z染色體和鴨嘴獸的X5染色體都有鳥類的性別決定基因DMRT1。
鳥類和哺乳動物的性染色體都演化自體染色體，不過自成一個系統，所以科學家認為它們是獨立演化的。可是新研究則顯示，兩個系統可能有所關連。他們打算進一步研究針鼴蝟的性染色體，以比較兩個系統。

原學術論文：
1) F. Grutzner et al., "In the platypus a meiotic chain of ten sex chromosomes shares genes with the bird Z and mammal X chromosomes," Nature, DOI:10.1038/nature03021, October 2004.
2) W. Rens et al., "Resolution and evolution of the duck-billed platypus karyotype with an X1Y1X2Y2X3Y3X4Y4X5Y5 male sex chromosome constitution," PNAS, DOI:10.1073/pnas.0405702101, October 2004.

生物時鐘從何而來

轉載自：http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=471
編輯 John C. H. Chen 報導 , Jul 17, 2001

生物時鐘為何不總是24小時而會略有偏差？日本科學家給了一個新的解釋。生物體內都有所謂的生物時鐘來控制生命體的自然作息規律。一般認為生物時鍾的週期應該與一天的長度24小時相同，因為這樣外在環境亮度跟溫度的變化大多是以一天為週期。不過事實上並非如此。一般生物時鐘的週期從22到28小時都有，很少有正好24小時的。日本物理學家Hiroaki Daido提出了一個數學模型，利用同種族群的自然競爭來尋找生物時鐘最佳化條件。他的模型中有兩個重要的假設。第一，一個族群的成長速率與生理時鐘週期與24小時的時間差有關。例如一種易受到日光中紫外線傷害的物種最好是生理時鐘正巧為正好24小時並且完全的晝伏夜出。第二，同種類的生物若是生理時鐘越接近將會競爭的越激烈。例如兩個同種類的生物如果要能相互覓食而不被對方干擾，最好是生理時鐘相差12小時。研究發現若是生理時鐘週期正好是跟環境同步的24小時，則同種類的競爭將會是最為激烈的。Daido也表示環境的影響也是改變生理時鐘週期的原因之一。他的這個模型還可以用來模擬其他生理週期的活動，例如冬眠。
原始論文：Daido, Physical Review Letters, 23 July 2001