腋芽的角力:BRC1 與生長素外運的分枝控制密碼

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植物不像動物能隨意移動,它們必須透過枝條數量與分布來獲取足夠的光能。分枝太多,可能造成能量的浪費;分枝太少,則降低光合作用效率。於是,植物演化出精巧的系統,決定哪些側芽該啟動、哪些應該休眠。


阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)等雙子葉植物的每個葉腋都會形成一個腋芽。這些腋芽能否長成側枝,取決於內外訊號的整合。研究發現,兩個核心的「調控樞紐」扮演關鍵角色:


在內部的是轉錄因子BRC1BRANCHED1):BRC1在芽內表現,負責抑制腋芽的活化。

在外部的則是生長素(auxin)運輸網路。腋芽必須將生長素穩定外運到主莖,才能真正啟動成為枝條。這種穩定輸出的過程稱為生長素導管化輸運(canalized auxin transport)。


不過,除了BRC1與生長素之外,獨腳金內酯也非常重要。


獨腳金內酯(strigolactone, SL)是什麼?它是植物的一種激素,因為它能誘發寄生植物獨腳金(Striga)的種子萌芽,因而得到了這個名字。後來人們發現,它其實廣泛存在於植物體內,並能同時透過兩條路徑影響腋芽:


其中之一是它能促進 BRC1 表現,從而抑制腋芽活化;另一方面則是促進 PIN1 蛋白從細胞膜移除,如此可以減少腋芽的生長素外運,讓腋芽更難建立導管化輸運。


也就是說,獨腳金內酯既能「踩煞車」(提高 BRC1),又能「把腳從油門上抬起來」(移除 PIN1),讓腋芽更不容易出頭。


研究團隊使用雙節點切段(2-node explants)來進行測試。他們取一段帶有兩個腋芽的阿拉伯芥花莖,觀察它們的競爭結果。


為什麼要這樣做呢?


如果大家有種過植物的經驗,就會看到通常是距離頂芽比較遠的那個腋芽會先長出來。這是因為從頂芽分泌的生長素,一路往下輸送所造成的「遠近效應」(proximity effect)。


因此,研究團隊將頂芽移除,讓頂芽優勢消失;於是側芽就可以自由競爭了。競爭的結果可能出現四種情況:


1. 兩個芽都不長

2. 上芽長、下芽不長

3. 下芽長、上芽不長

4. 兩個芽都長


結果顯示,在野生種中,常見「只有一個芽勝出」。但在brc1brc2 雙突變株(完全缺少 BRC1 功能*),幾乎所有切段都出現「雙芽齊長」,顯示 BRC1 平常的作用就是壓低芽的競爭力。


為了進一步確認獨腳金內酯如何控制 PIN1,研究團隊製作了一個「對獨腳金內酯不敏感」的 PIN1 版本(稱為SIP1)。

他們發現,雖然SIP1 能穩定存在於細胞膜上,不容易被獨腳金內酯移除,但它的運輸效率比野生種的 PIN1 差。


不過,SIP1 並不會影響 BRC1 的表現,顯示獨腳金內酯對 PIN1BRC1 的作用是各自獨立的。


最後,研究團隊提供了一個模型:


他們認為,BRC1 負責從內部調整腋芽的「競爭力基礎值」,當BRC1表現高的時候,就會讓腋芽更難參與競爭。

PIN1 則是具體的「競爭工具」,決定腋芽能不能把生長素輸送到主莖。


至於獨腳金內酯,則同時作用在兩者之上,既提升 BRC1、又移除 PIN1,形成雙重抑制。


這樣的機制讓植物能夠靈活決定分枝數量,在養分不足或環境不佳時減少分枝,在條件適合時萌發更多腋芽。


總而言之,獨腳金內酯就像裁判,一邊拉高 BRC1 的紅牌數,一邊拿走 PIN1 的武器,決定哪個腋芽能在競爭中勝出。


參考文獻:


Nahas, Z., Bridgen, A. J., Loman, T. E., Dillon, J., Abley, K., Cano-Ramirez, D. L., Ticchiarelli, F., Seale, M., Locke, J. C. W., & Leyser, O. (2025). A BRC1-modulated switch in auxin efflux accounts for the competition between Arabidopsis axillary buds. PLOS Biology, 23(9), e3003395. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003395


*在阿拉伯芥中,BRC1BRC2 功能有部分重疊。雖然 BRC1 在側芽抑制上扮演較主要的角色,但 BRC2 仍然有輔助作用。因此,必需使用brc1brc2雙突變株,才能真正看出 BRC1 在抑制芽活化上的核心作用。


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