馬鈴薯。圖片取自維基百科
當我們不小心摔倒擦傷時,皮膚會結痂來保護傷口,防止感染與水分流失。植物在面對傷害時,也有自己的「天然OK繃」——木栓質 (suberin),一種疏水性的生物聚合物。這種物質不僅能幫助植物減少水分蒸散,還能形成防禦屏障,保護植物不受病原菌入侵。
什麼是木栓質?木栓質是一種存在於植物表面和內部的疏水性物質,主要由羥基或環氧脂肪酸透過酯鍵連接而形成。它的功能如下:
1. 防水:減少水分散失,類似人類皮膚的角質層。
2. 阻隔病原菌:形成堅韌的屏障,防止細菌和真菌入侵。
3. 傷口癒合:受傷時,植物會啟動木栓質合成,以封閉傷口,類似於人類結痂的過程。
在馬鈴薯,它的表皮和塊莖外層富含木栓質。為了探討木栓質在植物傷口修復中的作用,研究團隊利用基因編輯技術,讓馬鈴薯的 StABCG1 基因失去功能,這個基因負責幫助細胞將木栓質運輸到傷口附近,形成防護層。
研究團隊發現,在野生種馬鈴薯葉片被割傷後,會分泌大量木栓質,快速封閉傷口。但是在StABCG1 突變株中,因為無法運輸木栓質,於是在被割傷後無法順利修復傷口,傷口處組織開始變褐色,顯示細胞受損嚴重,可能是因為接觸到過多氧氣,導致氧化作用加劇。
這項發現證明了木栓質的屏障功能能夠減少傷口處的氧化壓力,幫助細胞存活並修復。
有意思的是,當馬鈴薯無法產生足夠的木栓質時,它並不會坐以待斃,而是會啟動其他防禦機制,試圖補償木栓質的缺失。
研究團隊發現,突變株的傷口周圍細胞開始累積大量羥基肉桂酸胺 (HCAAs),這是一類可以幫助細胞壁變得更堅韌的物質。這類分子可以與木質素 (lignin) 或其他細胞壁成分結合,形成一道物理屏障,來減少病原菌的入侵。
另外,研究團隊也發現,這些突變株的傷口處有大量的病理相關蛋白 (PR proteins),如 PR1、PR3、PR5 這些能夠對抗病菌的蛋白質被活化。這個現象,與病原菌入侵時的狀況非常相似。這表示,植物偵測到「木栓質屏障失效」,就會轉而啟動類似於免疫系統的防禦反應,增強化學屏障的作用。
最後,當受傷的植物細胞因為缺乏木栓質而接觸到過多的氧氣時,就容易發生氧化反應,導致細胞受損。為了對抗氧化,突變株的傷口處累積了大量酚類化合物,例如阿魏酸 (ferulic acid) 及其衍生物,這些物質具有抗氧化特性,可以減少細胞的氧化壓力。
所以,透過將運輸木栓質的StABCG1 基因剔除,研究團隊發現了木栓質在植物傷口修復與防禦病害方面的重要性。他們發現,在受傷後,木栓質能夠快速封閉傷口,阻止水分散失與病原菌入侵。
因此,當木栓質缺失時,植物會啟動一連串補償機制,包括強化細胞壁、活化免疫系統與增加抗氧化物質。然而,這些補償機制無法完全取代木栓質的屏障功能,突變株的傷口仍然容易受到氧化壓力影響,導致細胞損傷與褐變。
未來,或許我們能藉著調控木栓質相關基因,培育出更耐病、耐旱的馬鈴薯或其他作物。
參考文獻:
Benatto Perino, E.H., Smolka, U., Gorzolka, K. et al. The suberin transporter StABCG1 is required for barrier formation in potato leaves. Sci Rep 15, 7930 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-89032-x