氮肥的美麗與哀愁：談植物如何利用硝酸鹽
編輯：謝祥文、黃千育、蕭世祥
演講者 蔡宜芳 特聘研究員 中央研究院分子生物研究所
主持人 張俊哲 教授 國立臺灣大學昆蟲學系
演講日期：2022/04/19 (二) 11:20~12:20
課程之內容與新知
- 氮肥的「美麗」與「哀愁」
氮 (Nitrogen, N) 是植物生長必需的多量元素 (Macronutrients) 之一，使用含氮肥料改善收成是農業行之有年的技術。早期農業使用天然氮肥，來源包含秘魯欽察群島 (Islas Chincha) 的鳥糞與智利阿他加馬沙漠 (desierto de Atacama) 的硝石。德國科學家哈柏 (Fritz Haber) 和工程家博施 (Carl Bosch) 開發「哈柏法 (Haber Process)」合成氨氣得以製造人工氮肥，間接促成農業綠色革命 (Green Revolution)。
氮肥的使用雖然緩解了人口增加造成的糧食匱乏，卻也帶來了其他問題。目前全球能量消耗的 1% ~ 2% 用於製造氮肥，但是施用的氮肥卻只有 30% ~ 50% 被植物吸收，無形中造成可觀的能量浪費。氮肥的使用同時也帶來其他問題，例如未被植物吸收的氮肥產生溫室氣體一氧化二氮 (N₂O)；又或者殘留在土壤中的氮肥被雨水沖刷至至水體中，過剩的養分使藻類快速生長導致「藻華」，水體缺氧造成生物死亡。
- 植物利用氮肥的機制
2.1植物如何吸收硝酸鹽
為了減少氮肥的浪費，蔡宜芳研究員投入研究植物分子生物機制已近三十年。多數植物利用氮元素的形式是硝酸鹽 (NO3-) 和銨鹽 (NH4+)，其中又以硝酸鹽為主要氮源。蔡宜芳研究員與團隊透過以氯酸鈉 (sodium chlorate, NaClO3) 進行抗性篩選，發現植物根部的表皮細胞膜具有一種硝酸鹽轉運蛋白「CHL1 (= NRT1.1)」，負責將硝酸鹽由細胞外送至細胞內。
植物對於氮肥有兩套吸收系統：當環境硝酸鹽濃度高時，以「低親和性 (low affinity)」系統進行大量吸收並儲存；當環境硝酸鹽濃度低時，以「高親和性 (high affinity)」系統進行精細吸收與利用。蔡宜芳研究員與團隊更進一步發現CHL1可透過磷酸化轉化成高親和性或是低親和性的轉運蛋白，可因應環境的變化對吸收系統做快速的轉換。
2.2 植物如何探知硝酸鹽
調控植物兩套不同吸收系統間轉換的開關，蔡宜芳研究員與團隊發現竟然也是 CHL1。蔡宜芳研究員於是將 CHL1 比喻為植物的「舌頭」，偵測環境中的「美食」硝酸鹽。
經歷近三十年的學術研究，蔡宜芳研究員亦希望分享給臺大昆蟲系同仁「相信數據，熱愛真理」的精神。她認為當實驗結果與來自教科書的經驗不符合，且多次謹慎地重新嘗試亦未改變結果時，可以勇敢地相信自己的結果：
“Trust your evidence over what was believed in the field for 20 years.”
Q&A
Q1: 要如何對有細胞壁的植物做膜片鉗 (patch clamp) 這個技術
A: 會先把細胞壁去掉再做，但其實植物的另外一個問題是細胞質互通，所以通常會用獨立的保衛細胞做。或者是讓根製造一個有膜的囊泡，用這個來做膜片鉗。
Q2: 要怎麼創造一個有突變的植物？
A: 甲磺酸乙酯突變化 (EMS mutagenesis)、γ輻射 (gamma radiation) 或質體標定 (T-DNA tagging) 都可以，但T-DNA目前比較常用，因為產生突變的同時就有辦法到找到哪個基因被破壞。
Q3: 剛剛演講裡有一個案例是一個通道蛋白在一個磷酸化之後就有一個功能，這是單純的物理結構改變還是影響後續其他反應路徑才有這個結果？
A: 這個通道蛋白是二聚體 (dimer)，磷酸化的位點在他的交接處，有一篇在nature的發表解釋是說磷酸化讓他的靈活性更好，另一篇是說磷酸化會改變他的結構讓他解耦 (decouple)，但我們自己的實驗發現他不會完全分開，只是讓dimer的形成不太一樣。
Q4: 很多膜蛋白的研究都用蛙卵當樣本，而老師做植物的研究中有沒有用到蛙？如果有的話是怎麼做的？又要如何說服別人在蛙卵上的功能在植物上也是類似的？
A: 其實最好的方法是把膜蛋白純化後，重建在脂質體 (liposome) 裡面做他的功能性研究，但是把膜蛋白拿出來再重組，結構上要剛好一樣是非常困難的，所以就用蛙卵。很多植物的膜蛋白研究也是把植物的cRNA打進去蛙卵，兩天後就會表現一堆蛋白在上面可以分析。最近我們在找液泡膜 (tonoplast) 的載體蛋白，但蛙卵沒有液泡膜，他還是會表現在細胞膜上。再來就是注射水和注射蛋白質的實驗組別一定要相互比較。
花絮照片
