周帛暄老師
 
 

 D812 實驗室的研究主題

本實驗室的研究主題主要著重於植物在葉綠體與花器形成上的研究,我們以阿拉伯芥、豌豆與百合屬植物試著回答我們想要問的問題,目前分成兩個部份分別進行:

第一個部份:探討蛋白質輸入葉綠體的作用機制   

        對高等植物而言,葉肉細胞內含有大量的葉綠體,而這些葉綠體是光合作用的主要場所,在光合作用的過程中所產生的能量與澱粉,不僅提供植物生長發育所需,並可做為動物食物的來源,因此探討葉綠體這個植物細胞特有的胞器是如何維持其正常的生理機能就成為重要的研究課題之ㄧ。

        葉綠體本身雖然具有自己的基因組,但是所合成的蛋白質並不足以維持其正常的生理機能,因此大多數的葉綠體蛋白質必須經由細胞核的基因轉錄後,在細胞質中合成再送入葉綠體內,因此對於這些蛋白質是如何被準確地運送到葉綠體內,將對於葉綠體是否能進行正常發育及完整執行其功能是很重要的關鍵。通常這類蛋白質的 N端有一段導引訊息,我們稱為transit peptide,隨著這個導航器的指引,將蛋白質帶到葉綠體的膜上,接著經由葉綠體內、外膜上所形成的蛋白質輸入機組(translocon)的協助才能進入葉綠體體內。

       為了深入瞭解蛋白質輸入葉綠體的過程,我們以阿拉伯芥為模式植物,分析並鑑定一個葉綠體內膜蛋白Tic40的突變種,此突變種因T-DNA的插入進而影響葉綠體的生合成。透過離析(fractionation)及化學交聯(cross-linking)的實驗與三級結構的預測分析,Tic40屬於葉綠體內膜上蛋白質輸入機組的一員,並且在蛋白質通過內膜進入葉綠體基質的過程中可能扮演co-chaperone的角色。在目前的研究中我們大致朝下列幾個方向著手:

(一)   探討Tic40Tic55在內膜蛋白質輸入機組間是如何與Tic110Hsp93交互、協同作用,以忠實地將蛋白質帶入葉綠體內。

(二)   藉由proteomic的方式,找出其他未知的Tic40結合蛋白。

(三)   透過一些突變策略,尋找影響葉綠體功能的阿拉伯芥突變種,探討這些基因在輸入機制中扮演的功能。

第二個部份:探討百合屬植物在花器形成過程中的調控機制   

        對於開花植物的生活史言,植物發育時期的轉換過程(developmental phase transition)代表著植株本身歷經生理狀態與外觀性狀的改變,如胚胎期(embryonic phase)、營養期(vegetative phase)與生殖期(reproductive phase),其中生殖期又可區分為花序期(inflorescence phase)與花器期(floral phase)。以植株進入生殖期為例,當植株從營養期的生長階段要進入開花期的生長階段時,象徵著植物在營養葉發育的後期,必須開始產生花序與花器的生殖器官。因此對於植物是否能順利地完成其生活史以延續其子代,此一連串植物發育時期的轉換過程是必須且重要的。

        過去由一些學者以阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)和金魚草(Antirrhinum majus)為模式系統,提出「ABC model」來解釋基因突變種與花器性狀之間的關係。在阿拉伯芥的模式系統下,將參與花器形成基因的功能區分為ABC三群,A群基因包括APETALA1 (AP1)APETALA2 (AP2)B群基因包括PISTILLATA (PI)APETALA3 (AP3)C群基因為AGAMOUS (AG)A群基因單獨調控花萼的形成,A群與B群基因共同調控花瓣的形成,B群與C群基因共同調控雄蕊的形成,而C群基因單獨調控雌蕊的形成,其中A群與C群基因的活性互相拮抗,當一方發生突變時,另一方的功能會佔據對方的位置。根據目前的研究顯示這些花器形成基因具有高度保留性,也透過這些花器形成基因的選殖而逐步將ABC model的架構進行修正。

        許多植物的花器並非屬於完全花,具有明顯的四輪花器構造。一些非禾本科的單子葉植物,如鬱金香(Tulipa gesneriana)、鐵炮百合(Lilium longiflorum)等,沒有明顯綠色萼片構造,在其花器第一輪與第二輪由各三片的外、內層的瓣狀花被片所取代,稱為Tepals,這與一般ABC model所闡釋的花器型態不同,因此便有學者提出「modified ABC model」的概念,將B群基因的功能延伸至第一輪,使得第一輪與第二輪能夠形成類似花瓣結構的瓣狀花被片。這表示在這類花器中的B群與C群基因的功能和在典型雙子葉植物所提的「ABC model」所描述的突變性狀極為類似,但其基因群的表現位置需要修正。

        為了更瞭解單子葉植物在「modified ABC model」上的研究,我們以東台灣常見的觀賞花卉 - 台灣百合與金針花為實驗材料,探討其開花機制與花器形成基因間的關係。在目前的研究中我們大致朝下列幾個方向著手:

(一)   利用退化引子(degenerate prime)配合RT-PCR技術尋找屬於台灣百合與金針花的MADS box基因

(二)   MADS基因做探針,搜尋台灣百合與金針花花苞所建構的cDNA基因庫

(三)   RNA與蛋白質層次探討這類基因的表現情形

(四)   將這些基因送入其他植物表現以探討其基因功能

 

 

近年研究計畫

目前與 D812 實驗室合作的夥伴

研究的路雖然孤獨,但在這條路上仍需要很多的支援和資源,目前我們也透過這群合作夥伴,讓我們可以走得更為順利 .....
研究領域合作實驗室
蛋白質輸入葉綠體的機制
花器形成基因間的調控機制

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