卡氏帶對豆科植物的固氮共生超重要！
不論動植物都需要氮來合成蛋白質、核酸、糖、脂肪，但是大氣中的氮氣是非常穩定的三鍵，無法輕易被打開。不過，豆科植物能透過與根瘤菌（如 Mesorhizobium loti）共生，把空氣中的氮氣轉換為含氮化合物，供植物利用，是自然界氮循環中非常重要的一環。有趣的是，最近的研究發現，在這場共生關係中，一個看似默默無聞的構造──卡氏帶（Casparian strip）──其實是促成根瘤成功發育與固氮效率的關鍵角色。
什麼是卡氏帶？卡氏帶是位於植物根部內皮細胞（endodermis）的一種木質素帶狀沉積物，由十九世紀的德國植物學家羅伯特‧卡斯帕里（Johann Xaver Robert Caspary，1818-1887）所發現，主要功能是封閉細胞間隙的水路（apoplast），強迫水與溶質必須經過細胞膜主動運輸進入維管束。之前的研究發現，無法形成卡氏帶的植物，對控制離子的進出出現障礙，導致生長出現問題[1], [2]。不過，最近發表於《Science》的一篇研究中發現，卡氏帶不只是一道水分與養分的過濾牆，也可能參與訊號調控與病害防禦[3]。
過去的研究發現，在豆科植物中，根瘤形成的敏感區域（susceptible zone）與卡氏帶首次形成的區域高度重疊，這就讓研究團隊產生一個疑問：卡氏帶是否與根瘤的形成有關？
科學家們以模式植物百脈根（Lotus japonicus）為材料，深入探討卡氏帶對根瘤形成與氮固定的影響，並揭露了它在系統性氮訊號傳遞中的意外角色。
首先，研究團隊利用LORE1插入突變法，製造了三個卡氏帶形成關鍵基因的缺失突變株。其中一個基因（LjMYB36）是轉錄因子，控制卡氏帶相關基因表現；另外兩個基因（LjSGN1 與 LjSGN3）是訊息傳導受體與激酶。
這些突變株的根部卡氏帶無法正常形成，表現出染劑穿透維管束的現象，證實質外體屏障（apoplastic barrier）失去功能。
接著，研究團隊就來看看，卡氏帶缺失是否會對根瘤形成產生影響？他們發現，突變株不僅根瘤數量明顯下降，根瘤形成時間也延後了。研究團隊在接種根瘤菌後21天統計根瘤數量，發現野生種平均形成6-8顆，但突變株只形成了2-3顆。
至於根瘤形成的時間，研究團隊在接種根瘤菌時，在植物的根尖做記號。然後，當根瘤出現時，如果出現的位置接近標記或在標記之上，就表示這個根瘤形成的時間比較早；如果出現的位置離標記處很遠且靠近老根，就表示該根瘤形成的時間比較晚。
結果他們發現，野生種有87-93%的根瘤出現在標記處或以上；而突變株只有6-23%的根瘤出現在與野生種類似的位置。也就是說，突變株的根瘤形成時間，比野生種要晚許多。
進一步的觀察發現，雖然根瘤菌仍能附著於根的表皮細胞，但其感染線（infection threads）與根瘤原基（nodule primordium）的形成均大幅減少。所以，卡氏帶完整性對根瘤的初期誘導與發育非常重要。
先前的研究已知，在豆科植物中，當根部感受到氮不足的情形時，便會在根內表現 LjCEP1 訊號肽，向上傳送到葉片，活化 CRA2 受體，進一步誘導葉片產生CEPD1、CEPD2與miR2111。
其中CEPD1與CEPD2兩個小分子肽由葉片傳送回根部，會在根中促進根瘤誘導因子表現；另外miR2111這個小RNA則會在到達根部後抑制根裡面的 TML （Too Much Love）蛋白，解除對新生根瘤形成的抑制。
但是，在三個卡氏帶突變株中，都出現了LjCEP1 表現量下降、TML 上升、miR2111 減少，導致根瘤形成被抑制。
有趣的是，研究團隊發現若施加外源 CEP1 或製造帶有 tml 突變的雙突變株，都可以恢復或部分改善根瘤數量。也就是說，卡氏帶是CEP1路徑發揮功能的重要一環。
更有趣的是，進一步的研究發現，成熟根瘤的維管束內皮細胞（vascular endodermis）也會形成卡氏帶。那麼，無法形成卡氏帶，是否也會對根瘤會造成影響呢？
他們發現，卡氏帶缺失突變株的根瘤中，鈉、磷、鉀、鉬等礦物質的含量顯著升高；另外，養分在根瘤內部出現分佈異常的情形，尤其是鉀與蔗糖偏向根瘤外圍堆積。另外，他們還發現天門冬醯胺與天門冬胺酸在突變株根瘤中顯著升高，顯示氮代謝方向被改變。而且，天門冬醯胺的分布在突變株根瘤中向外偏移，也就是在根瘤周圍與維管束處積聚較多，不像野生種那樣均勻分布。這些現象顯示，卡氏帶不只控制「誰可以進入根瘤」，還影響植物與共生菌之間的物質交換。
總而言之，透過使用無法形成卡氏帶的突變株，研究團隊發現，根部的卡氏帶對於感應氮飢餓訊號並啟動根瘤發育是不可或缺的。至於根瘤內的卡氏帶，則協助控制營養與代謝平衡，確保固定比例的氮能被妥善利用。當卡氏帶出現失調的狀況，不僅是物理屏障被破壞，更會擾亂植物與微生物互動中的長距離訊號傳遞與代謝對話。
這個研究也讓我們進一步思考，除了根瘤菌，卡氏帶是否也在非共生微生物（如病原菌）感染過程中扮演類似角色？這就需要研究團隊進一步去探討了。
參考文獻：
[1] Takuya Nakayama et. al., A peptide hormone required for Casparian strip diffusion barrier formation in Arabidopsis roots. Science 20 Jan 2017: Vol. 355, Issue 6322, pp. 284-286 DOI: 10.1126/science.aai9057
[2] 2017/6/8. 老葉的植物王國。卡氏帶不簡單！
[3] Defeng Shen et al. ,Apoplastic barriers are essential for nodule formation and nitrogen fixation in Lotus japonicus. Science 387, 1281-1286(2025). DOI:10.1126/science.ado8680
