臺大特色研究系列報導—生科院生化科技系助理教授鄭梅君探討光照如何調節植物的逆境反應

隨著全球氣候變遷，人們急需發展韌性作物來提供永續的糧食來源。全球氣候變遷對作物帶來的影響包括高溫、乾旱、鹽害等等的非生物逆境，而研究植物在這些非生物逆境與其他環境因子下的基因調控機制，將能提供農作物全新且精準的基因改良策略。植物生命當中的各個面向都會劇烈受到光照的影響，其中甚至包括逆境反應與防禦。研究團隊致力於探討植物在光照與逆境刺激下一些轉譯因子以及轉錄因子的後轉譯修飾如何影響其蛋白活性以及交互作用，並影響其生長發育與逆境反應。

乙烯反應因子ETHYLENE RESPONSE FACTOR 1 (ERF1) 是植物賀爾蒙乙烯的訊息傳遞下一個非常重要的轉錄因子，其不僅在抵禦細菌與真菌導致的生物性逆境中扮演重要角色，也可以提升植物面對非生物性逆境的耐受能力，例如乾旱以及高鹽逆境。雖然ERF1是個重要的轉錄因子，但卻發現ERF1蛋白質在黑暗下非常不穩定。為了解植物如何調控ERF1蛋白質的穩定性，研究團隊利用酵母菌雙雜合系統，篩選出兩個可以和ERF1交互作用的蛋白—類泛素黏合酶SUMO-CONJUGATING ENZYME 1 (SCE1)，以及泛素黏合酶CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1)。研究團隊證實這兩個黏合酶酵素可以分別在光照與黑暗的條件下，調節ERF1的穩定性，並進一步調節植物的逆境反應。

研究發現，在光照環境下，SCE1會與ERF1進行交互作用並且將其類泛素化，以維持ERF1蛋白質的穩定性。穩定的ERF1得以執行轉錄因子的功能，以調控下游逆境反應基因表現，以提升植物逆境耐受性。然而在黑暗環境下，COP1會進入細胞核與ERF1進行交互作用，並且將ERF1進行泛素化修飾，導致ERF1蛋白質被降解。黑暗下的植物缺少ERF1蛋白質，導致下游的逆境反應基因無法成功被誘導，近一步導致植物逆境耐受性下降。因此當移除ERF1的正向調控因子—SCE1時，儘管在長日照下也會使ERF1的蛋白質穩定性下降；而移除ERF1的負向調控因子—COP1時，儘管在短日照也會使得ERF1蛋白質穩定性上升，以提升植株的逆境耐受性 （如下圖所示）。研究團隊更發現，COP1與SCE1會彼此競爭ERF1上的修飾位點，而把這些位點突變的話，ERF1即使在黑暗下也會變得非常穩定，代表SCE1所調節的類泛素化作用也是一個保護ERF1不被降解的機制。此研究證實COP1-ERF1-SCE1模組在光照與黑暗環境下精確調節植物的逆境反應，提供人們了解光照如何影響植物抵抗逆境的新方向，以及發展韌性作物的新策略。

此研究成果於2024年2月發表在Plant, Cell & Environment中，由博士班學生張卉仙（共同第一作者）、碩士班學生林雯琪（共同第一作者）、黃梓斌及研究助理黃琳禎共同執行，並由國科會計畫經費支持下完成。

研究成果全文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14850