什麼是芥子細胞？
十字花目（Brassicales）植物包含17科，其中不乏重要的蔬菜，如大白菜、高麗菜、花菜，另外還有一群「芥」，包含了許多重要的辛香料，也都是十字花目的成員。這個目的重要特徵就是他們會合成硫代葡萄糖苷（glucosinolates）。
硫代葡萄糖苷的功能是什麼呢？他們遇到水解酶（芥子酶，myrosinase）時，會被分解釋出硫氰酸酯（thiocyanate）、異硫氰酸酯（isothiocyanate）或腈（nitrile）。這些分子帶有「衝」（pungent）味，讓企圖吃它們的動物退避三舍，但是也造成十字花目植物有自己特殊的味道。
雖然有些人不喜歡，但是WASABI可是很重要的辛香料喔！尤其日本人一點都少不了它。有趣的是，其實硫代葡萄糖苷與芥子酶在十字花目植物中是分別儲存在不同的細胞中，只有組織被弄破（比方說被咬）時，兩者才會相遇，產生具有「衝」味的化合物。
過去的研究已知，硫代葡萄糖苷儲存在S細胞（S是硫的意思）中，而芥子酶則是儲存在芥子細胞（myrosin cells）中。這兩種細胞都位於維管束附近，所以當組織一破裂，他們馬上就會相遇。
這兩種細胞都只有十字花目的植物才有。最近的一個研究發現，芥子細胞的分化，居然與構成氣孔的保衛細胞的分化有關！
其實，過去的研究已知，有一個稱為FAMA的轉錄因子，在十字花目植物中，除了會調節保衛細胞的分化，也與芥子細胞的分化有關。但是，到底FAMA是如何調控芥子細胞的分化，其中的機制還不清楚。
為了要找出FAMA調節芥子細胞分化的機制，研究團隊使用了可被雌激素誘導的FAMA高度表現系統（iFAMA），比較處理和未處理的幼苗的轉錄體。結果他們發現，在雌激素處理8小時後，有161個基因的表現上調了。
為了確認這些基因的重要性，除了iFAMA上調基因，研究團隊還加入了scrm下調基因、syp22上調基因和scrm-D上調基因這三組資料一起進行整合分析。為什麼要找另外這三組資料來一起分析呢？
因為SCRM（也稱為ICE1）是與FAMA形成異源二聚體的bHLH轉錄因子，它們形成複合體，共同調控保衛細胞和芥子細胞發育。因此，他們認為在scrm突變株中下調的基因，可能是FAMA-SCRM複合體的共同標的基因。不過，研究團隊只選擇了scrm單突變株而非scrm scrm2雙突變株，那是因為後者有嚴重矮化性狀，他們認為會導致取樣差異。
選用syp22突變株則是因為，過去的研究發現，在syp22突變株中成熟的芥子細胞大量增加，因此他們認為syp22中上調的基因可能是芥子細胞發育所需的基因。
最後，選用scrm-D是因為它是一個導致氣孔過度產生的顯性突變株，因此研究團隊認為，在scrm-D中上調的基因可能包括氣孔發育相關基因。
結果，研究團隊發現僅有兩個基因（FAMA本身和WSB/At3g57600）在所有四種植物中出現重疊。這個發現意味著，WSB很可能是FAMA在芥子細胞和保衛細胞發育中的關鍵基因。
接著，研究團隊用染色質免疫沉澱(ChIP-qPCR)來確認。他們在WSB啟動子區域檢測到顯著的FAMA結合信號，特別是在含有CTCGTG序列的啟動子區域。
另外，以定量RT-qPCR分析也發現WSB的表現在iFAMA中迅速被雌激素誘導。而且，當他們使用fama突變株時，無法測到WSB的表現。
最後，研究團隊搜尋了ATTED-II資料庫。他們發現，在ATTED-II資料庫中，WSB是唯一一個與FAMA、TGG1和TGG2（芥子細胞標記基因）直接關連的基因
這些實驗結果共同證明了WSB的表現受到FAMA調控。FAMA直接結合到WSB的啟動子並讓它的表現量上升，也就是說，WSB是FAMA的直接目標。
除了WSB，研究團隊還發現，FAMA透過直接結合並啟動SCAP1（Stomatal Carpenter 1）基因的表現來控制細胞分化。他們透過實驗直接證明FAMA結合到SCAP1啟動子區域，而且還找到了SCAP1啟動子中與FAMA結合相關的特定序列。
所以，FAMA 不僅會直接誘導WSB 基因，也會誘導SCAP1表現。而WSB與SCAP1共同調控保衛細胞發育。
為了要瞭解WSB的功能，研究團隊建構了wsb 突變株，結果發現芥子細胞消失了！這個結果意味著 WSB 對芥子細胞的分化非常重要。
另外，研究團隊還針對WSB的基因表現進行了分析，結果找到了CCS52A1 基因。他們研究發現，CCS52A1 基因受到WSB 的直接調控 ，從而參與芥子細胞的發育。
CCS52A1（Cell Cycle Switch 52A1） 是一個細胞週期調控因子，負責調節細胞的內發生（Endoreduplication, 染色體加倍但不進行細胞分裂）。研究團隊發現在芥子細胞中，CCS52A1 可促進細胞增大並累積芥子酶，加強植物的化學防禦機制。對於保衛細胞的成熟和分化，它可能也很重要。
不過，既然FAMA也會調節保衛細胞的發育，那麼為什麼一樣是從FAMA到WSB，會出現保衛細胞與芥子細胞的分別呢？
研究團隊發現，關鍵就在WSB。WSB 會抑制芥子細胞中 SCAP1 的表現，使芥子細胞不會變成保衛細胞。
首先，研究團隊發現wsb 突變株中，SCAP1 在芥子細胞中出現異常表現。這意味著 WSB 的正常功能也包括了抑制芥子細胞中的 SCAP1表現，不讓芥子細胞變成保衛細胞。
另外，在極性生長異常的 syp22 突變株（影響極性生長的 AUXIN 運輸相關突變株）中，SCAP1 也會異常出現在芥子細胞中，這進一步證明 SCAP1 必須受到抑制，才能維持芥子細胞的正常分化。
由於芥子細胞是十字花目植物特有的細胞類型，這是否意味著FAMA的新功能也是十字花目植物專屬的呢？
研究團隊先構建了包含62個植物物種的系統發育樹，分析顯示WSB屬於亞類II，這一亞類在有氣孔的被子植物中高度保守，另外他們也確認芥子細胞是十字花目植物的共有特徵（synapomorphy），而非其他植物類群所具有。
接著他們透過互補實驗測試來自不同物種的WSB同源基因，看看他們在阿拉伯芥wsb突變株中的功能互補能力。結果發現，只有來自不同十字花目植物的WSB同源基因(TpWSB、ThWSB、CpWSB)能夠恢復芥子細胞發育。
另外，他們在阿拉伯芥fama突變株中表現來自不同物種的FAMA同源基因，結果發現非十字花目的植物的FAMA，如地錢（Marchantia polymorpha）與二穗短柄草（Brachypodium distachyon）都不能在內部組織中誘導出芥子細胞。
所有的證據都顯示了FAMA-WSB模組對芥子細胞發育的功能是十字花目植物在進化過程中獲得的特異性創新，而非所有植物共有的特徵。
我覺得很好奇的是，為什麼是FAMA，而不是其他的轉錄因子呢？不過這個問題的答案可能不容易回答。
參考文獻：
Shirakawa, M., Oguro, T., Sugano, S.S. et al. Co-option and neofunctionalization of stomatal executors for defence against herbivores in Brassicales. Nat. Plants (2025). https://doi.org/10.1038/s41477-025-01921-1
