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
2007年12月11日 星期二
揪出開花素的本尊—開花素不是FT mRNA，而是FT蛋白質
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轉載自：http://stdata.cshs.tcc.edu.tw/phpBB/viewtopic.php?p=4403&sid=fde7cb31b400a848abac96d9217fcf0b
「開花」是莖端分生組織從要長成葉子改變成花器的過程，它對植物完成生命周期事關重大，因為植物要完成生命周期必須形成合子、配子，形成配子的過程就必須先經過形成花器。此外，人們食用的果實和種子，形成前都必須經過開花過程，這也是開花研究為什麼重要的原因。
科學家很早就知道，植物感光的部分是葉子，但花則多長在頂端，感光的部位和花器之間，到底是如何傳遞訊號？
30年代有人提出，一定有種物質—「開花素」能從葉片到達頂端，傳遞「該開花了」這類訊息，但開花素究竟是什麼，沒有人知道。
1990年代，科學家利用突變體分析，找到影響開花的基因大概有70到80個，而且知道這些基因可相互影響作用，但仍無法解釋開花怎麼一回事。
去年，瑞典農業科技大學的植物學家真的找到植物開花的分子機轉。
原來，植物中有一種叫「FT」的基因活躍在葉子中，它能夠制造出一種在葉子和根尖之間傳遞信息的「傳訊RNA」，刺激植物產生花蕾，從而促使開花。
基因在體內是不會移動的，只會透過RNA翻譯出特定蛋白質，這些蛋白質可以在基因所在的細胞內作用，也可以轉移到其它細胞作用，但是過去很少有證據證明，RNA可帶著訊號在細胞間轉移，而且還是長距離運輸。
瑞典這個發現的重要性在於，它不僅知道了開花素可能是以RNA的形式存在，而且能以信號形式轉運出細胞，這也是學界第一次知道細胞可以用這種方式傳訊。
至於植物怎麼知道該何時開花？科學家認為，溫度和土壤等條件是重要原因，但如何互動作用則仍不清楚。
但知道開花機制，對人類到底有什麼用？
理論上，了解開花的原理就等於掌握了作物生產的重要「開關」，瑞典農業大學的學者就說，因為這個發現，我們可以應用來生產早熟稻，因為許多高產種類都開花比較晚，若相關技術可以發展起來，將可使農業生產完全改觀。
也因為這項發現預示，未來的各種可能，在2005年底，國際知名的『科學』雜誌把開花機制的研究進展列為「全球十大科學進展」之一。
謎樣的開花素顯蹤跡？
蔡任圃：任教台北市中山女高
俄國科學家察拉罕於1936年與1937年發表兩篇文章，探討植物激素與植物生長發育的關係，文中提出葉子產生的某個物質，可由韌皮部運輸至莖頂，並促進開花，但不知其為何物，稱之為開花素（florigen）。從此開花素的解謎工作就一直是植物生理學領域的重要研究方向。
究竟開花素為何物？是其中一種植物激素？還是多種激素的共同作用？甚或是目前還未發現的激素？這個謎題存在於教科書中很多年了。只知開花素為假設的名詞，在煙草嫁接的實驗中，可知開花素經韌皮部運輸，甚至可以影響其他個體的開花狀態。在高中生物教材中，介紹開花素的章節，恰好在介紹植物激素之後，許多好學的同學問我：吉貝素（gibberellins）有促進開花的作用，吉貝素可不可能就是開花素，或參與開花素的作用？我總是無法給個肯定的答案。但這未知謎題在2005年終於出現曙光了。三組科學家分別於8月12日與9月9日的Science期刊發表了開花素的可能物質，不是吉貝素，不是其他植物激素，可能是RNA！這項進展被Science期刊列為「年度十大科學突破」之一。
科學家以長日照植物——阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）為例，研究其開花機制。阿拉伯芥偵測日照週期的部位在葉子，而且只需一片葉子接受光照刺激，就足以引起開花機制。在長日照環境中，葉子維管束細胞中的核內蛋白——CONSTANS（CO）濃度增加，CO蛋白可直接活化 flowering locus t基因（ft）的啟動子，使FTmRNA產生。另一個關鍵基因——fd基因主要表現於莖頂，其mRNA在種子萌發後逐漸增加，它的表現不受光週期或CO蛋白的影響。FD蛋白可與FT蛋白結合成轉錄因子複合體，刺激其他下游基因的表現，進而開啟開花的程序，使莖頂產生花芽。但ft基因於葉子表現，而FT蛋白於莖頂與FD蛋白作用，FT蛋白如何跑到莖頂去的？答案是葉子的FTmRNA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。葉子接收光週期的訊息後，透過FTmRNA將訊息傳達至莖頂引發開花過程，所以，FT mRNA可能就是開花素！
科學家利用極敏感的即時反轉錄聚合連鎖反應（real time RT-PCR）技術，發現在長日照環境下，阿拉伯芥葉子內的FT mRNA增加70倍，而莖頂的FTmRNA增加3倍。轉譯產生的FT蛋白能直接或間接活化ft基因的表現，代表一旦ft基因開始表現，FT蛋白就能維持穩定的濃度而不受日照情形影響。這個現象解釋了傳統的韌皮部嫁接實驗：在連續嫁接的七株植物中，第一株給予長日照刺激，其餘處於短日照環境，但七株皆可接受開花素訊息。這是因為受開花素刺激的植株，本身也可以成為開花素提供者。此外，接受適當光照刺激的葉子，需要3~5小時來引發FTmRNA的表現，其於韌皮部的運輸速度約為1.2~3.5 mm/h。隨著研究的進展，我們對開花素的了解與日俱增。
mRNA竟然可以離開細胞，充當訊息的傳遞者，著實衝擊了傳統觀念。在科學界，常常一個新答案會引出更多的新問題，例如mRNA如何離開細胞、運輸、進入細胞？運輸的目的地具專一性嗎？mRNA在運輸過程如何維持濃度而不被分解？這些具有訊息傳遞性質的mRNA有轉錄後修飾嗎？其特性為何？FT蛋白的生理作用與吉貝素有關嗎？又與春化作用（vernalization）有關嗎……開花素是近70年的老舊謎題，其答案竟可能是嶄新的訊息傳遞系統觀念，而一個新的曙光讓我們看到了更多的疑問。
有關開花素的消息已有更新
http://www.csghs.tp.edu.tw/~captain/publish/100.pdf
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