「酷」玉米比較不怕冷

雖然不同國家之間的交流，早在公元前就開始了：漢朝的時候，羅馬皇帝曾經派人到中國，而中國皇帝也回信了（筆友？）。但是像那樣的交流都是小規模的，也僅限於社會上的特定階層。

到了地理大發現（Great Discovery）之後，不同大陸、不同國家之間的交流變得極為密集，而且這時的交流是全面的！歐洲人帶了小麥、葡萄到美洲，從美洲帶了各式各樣的動植物到歐洲。為了種鳳梨，歐洲人發明了溫室；為了不要種馬鈴薯，許多國家的人民都與政府發生衝突。

到了現代，因為不要種某種農作物而發生衝突這樣的事情，雖不能說完全沒有，但也已經變得極少了。現在大家反而認為，我想要種什麼就應該能夠種什麼！

其實植物有它們的「本性」，比方說發源於安地斯高地的馬鈴薯，當然是在比較涼爽的地區會長得比較好，而發源於墨西哥的玉米，當然是比較愛溫暖的氣候囉！如果把馬鈴薯種在熱的地方、玉米種在冷的地方，雖然不見得就會死翹翹，但是產量一定會比較低，這是很自然的。

但是，有些人就是不想「認命」...認植物的命！他們不但要把植物種在氣候不合適的地方，還要這些植物長得好。在古代，這樣的人叫做皇帝；在現代，這樣的人叫做科學家。

最近有一群科學家，他們想要讓玉米在冷的地方也可以種，而且表現得不輸給種在熱的地方的玉米。他們認為，只要能找到玉米的抗寒基因，應該就可以找到讓玉米不怕冷的方法了。

要怎麼找基因呢？研究團隊收集了205個玉米自交品系，來進行全基因組關聯分析（GWAS）。這些品系包括了88個熱帶/亞熱帶品系、75個溫帶品系和42個混合品系。他們把這些品系的2週大的幼苗在25°C或4°C下生長4天，然後測量葉片受傷面積作為耐寒性指標。初步的觀察發現，不同品系間表現出0-100%的受傷程度差異，顯示玉米應該是有耐寒基因的。

藉著他們使用SNP標記進行關聯分析，在第3號染色體上發現了一個顯著的關聯峰，那裡有5個緊密連鎖的SNP位點。有趣的是，他們全部都位於一個bHLH轉錄因子基因的啟動子區域，所以這個bHLH轉錄因子就被命名為COOL1。

研究團隊發現COOL1這個轉錄因子，會去抑制DREB1與TPS家族的耐寒基因們。也就是說，它的功能是負向調控植物的耐寒反應（讓植物變得怕冷）。

因為落在啟動子區域實在有點特別，所以研究團隊又做了進一步驗證，結果又發現了4個與耐寒性強相關的SNP，也都落在COOL1的啟動子區域。不過，這次的驗證還發現，COOL1的啟動子區域有兩種單倍型：HapA和HapB。HapA的序列是TACGTA，HapB則是AGCCTG，相差蠻大的。

另外，研究團隊還發現，其中4個最顯著的SNP竟然剛好位於所謂的「A-box序列」。什麼是A-box序列呢？A-box是bZIP型轉錄因子的已知結合位點。

這個發現，意味著應該是有個bZIP型轉錄因子負責調節COOL1的基因表現。但是，植物有很多bZIP型轉錄因子啊！為了把它找出來，研究團隊分析已發表的玉米對冷反應轉錄體資料，結果發現HY5對冷處理有明顯的反應（表現量顯著上升），而它又恰好是一個能結合A-box的bZIP轉錄因子。

於是，他們製作了高度表現HY5與hy5突變株，結果發現，高度表現HY5的玉米比較不怕冷，而少了hy5的玉米就變得比較怕冷了。接著，他們進行了一系列實驗，證實HY5確實會跟COOL1啟動子結合並抑制它的表現。

如果HY5會抑制COOL1的表現，而HY5高度表現會讓玉米變得比較不怕冷，這是否意味著COOL1這個轉錄因子對耐寒這件事是有反效果的？研究團隊製作了高度表現與剔除COOL1的玉米，結果發現，高度表現COOL1的確會讓玉米怕冷，而剔除了COOL1的玉米，的確比較不怕冷。

由於HY5是透過抑制COOL1的表現來讓玉米變得不怕冷，而研究團隊一開始找到COOL1時，其實是找的它的啟動子。在當時，他們還發現COOL1的啟動子有兩種類型，HapA與HapB。那麼，對HY5來說，HapA與HapB有什麼不同呢？

研究團隊測試後發現，HY5對HapA的結合能力比對HapB要強。這造成有HapA的玉米，因為COOL1被HY5強力抑制，所以會比較不怕冷。是這樣嗎？

為了證實這一點，研究團隊分析了1,008個地方品系玉米（landrace）的DNA。這些地方品系是原始的地方品系，代表了前哥倫布時期美洲原生玉米的遺傳多樣性。結果發現，在北美高緯度地區的地方品系中，HapA變異型出現的頻率顯著高於低緯度地區。雖然這種分布模式在南美洲並不明顯，但是在北美的分析結果還是足以支持研究團隊的假說。

所以，天氣冷的時候HY5表現量會上升，抑制COOL1表現。接著會發生什麼事呢？然後這樣就會讓DREB1與TPS表現量上升，這樣植物就會變得比較不怕冷了。

如果就這麼簡單，應該會讓人蠻開心的。但是，利用COOL1當作餌，研究團隊找到了另一個基因「CPK17」。CPK17是一個蛋白質激酶，會磷酸化COOL1，而且，磷酸化以後的COOL1會變得比較穩定，而CPK17在冷的時候也會變多！這不科學啊！

更不科學的還有：研究團隊發現，低溫會讓COOL1的轉錄上升！可是不是說低溫會讓HY5的轉錄上升，然後會去抑制COOL1的轉錄嗎？到底是怎麼回事呢？

研究團隊認為（如上圖）：低溫的時候，COOL1表現量上升，而CPK17會跑到細胞核裡面去磷酸化COOL1讓它變穩定。這麼一來，COOL1就會去抑制DREB1與TPS家族的表現。

而HapA之所以會讓玉米變得比較不怕冷的原因就在：有HapA的玉米，HY5可以緊緊地抓住COOL1的HapA版本的啟動子，讓COOL1的表現量沒辦法升高，如此一來玉米就會變得比較不怕冷。還真是複雜，可見想耍酷也不容易呢！

所以，瞭解了COOL1這麼複雜的調控機制，育種專家們在未來選育玉米時，便可以優先將具有HapA啟動子的玉米挑出來，作為耐寒的保證，這是不是很酷呢？

參考文獻：

Zeng, R., Shi, Y., Guo, L., Fu, D., Li, M., Zhang, X., Li, Z., Zhuang, J., Yang, X., Zuo, J., Gong, Z., Tian, F., & Yang, S. (2025). A natural variant of COOL1 gene enhances cold tolerance for high-latitude adaptation in maize. Cell, 188, 1-15. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.018