[整合生物學] 那些年,重金屬超富集植物教我的事 Lessons learned from the heavy metal hyperaccumulator 林雅芬 助理教授 國立台灣大學農藝學系

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演講者 林雅芬 助理教授 國立台灣大學農藝學系 

主持人 薛馬坦 助理教授 國立台灣大學昆蟲學系

演講日期 (Date)2019/10/01 () 11:10~12:00

編輯 / 紀錄:孔寧


摘要 (Abstract)

講者首先介紹重金屬與植物的關係可分為兩種類型:essential elementsnon-essential elements。其中essential elements(例如「鋅」)是植物生長所必須,這類元素必須在植物中維持一定濃度,如果缺乏或是過量都會影響生長。而non-essential elements則可被理解為對植物有毒性的物質,(例如「鎘」),只要超過一定濃度,就會造成不良影響。

而台灣的重金屬污染源主要是銅;污染地區主要集中在彰化,而桃園次之。目前污染區域總計有1,118公傾的農地之大,其損失的作物產量可以提供13萬人吃一整年。

對於污染的土地之處置,講者提到在其上蓋房子或者放置光電板都不是適合的處置方式,因為未來會使該土地難以回歸耕作利用,且有接觸到其他污染的可能。目前推薦的處置方式中,landfilling法可以快速有效地恢復地力,但缺點是很花錢;而利用植物吸收土壤中污染物質的phytoremediation法雖然成本低廉也很有善環境,但缺點是因為植物對污染物質的吸收率低,需要非常長時間(8-10年)才能恢復地力。因此,投入提高植物吸收率的研究以及研究先天高吸收率的植物有其必要。

在這樣的背景下,講者帶入了他的研究主題:講者研究的植物——Noccaea caerulescens。這種植物是他們團隊在比利時的前礦區(Zn-Pb mine smelter)採樣得到,其特色是對多種重金屬(Zn, Cd, Ni)有耐受性,且為重金屬的hyper-accumulator,可以高度將其集中於植株的地上部。且因為自花授粉以及擁有許多不同ecotypes,可以生長的面積以及地形廣,適合研究植物的適應。

講者研究的問題可以被分為How:這種植物是如何能累積很多重金屬;以及Why:為什麼hyper-accumulator可以在自然界中存活 這兩個部分,以下將分項簡介。

 

這種植物是如何能累積很多重金屬

植物依照其適應重金屬的策略可以分為excluder, tolerant non-hyper-accumulator, 以及 hyper-tolerant-hyper-accumulator這幾種,而Noccaea caerulescens屬於hyper-tolerant hyper-accumulator。這種植物的細胞膜上具有可以把金屬送入植物內的轉運蛋白,過量的金屬會被送入液泡中,以免傷害其他胞器。舉例來說,ZNT是一種控制鋅和鐵的轉運蛋白,ZNTNoccaea caerulescens這類hyper-accumulator中大量表現,也會使轉殖了ZNTnon-accumulator(無法處理重金屬的植物)擁有較好的重金屬適應能力。

 

為什麼hyper-accumulator可以在自然界中存活

這個主題的研究集中在Nicatianamine synthase(NAS)基因上,講者發現有多個基因(NAS1, NAS2, NAS3, NAS4)調控金屬離子的結合與運輸,並發現在某些Noccaea 中,NAS1與對照的non-accumulator植物不同,是一種Transposon-like sequence,她將這種表現稱為NAS1 allele。而在比利時採樣所得到的126個樣本中共測到了3genotype,她也發現NAS1 allele相較其他genotype(在此稱為WT)更具有優勢。

這樣的優勢來自於NAS1 allele中其他的基因(NAS2, NAS3, NAS4)表現量較WT高,也因此能產生較多的Nicatianamine協助金屬運輸,因此能累積更多金屬。講者指出NAS1 allele不只對鋅、鎘、鎳都更敏感,相較於WT不只可累積更高的濃度,從地下部轉運金屬到地上部的能力也較高。

但能累積更多金屬為何會造成適應上的優勢?講者介紹的elemental defense hypothesis指出,較高的金屬含量可以協助植物避免被植食者取食。講者針對鱗翅目的Cabbage white取食的實驗證明,雖然成蟲在choice experiment中並沒有對WTNAS1 allele有顯著差異,但在幼蟲的non-choice experiment中顯示,重金屬處裡的植物會影響幼蟲的生長發育,且NAS1 allele的植物組中幼蟲長得較WT不好。講者的結論指出自然界中WTNAS1 allele都存在是因為各有優勢:WT植株長得較大;而NAS1 allele有更好的抗蟲能力。

 

心得 (Report)

研究之外,講者也與我們分享她在荷蘭求學的點滴,除了簡介起司、薯條與煎餅等荷蘭名產之外,也與我們分享他自己設計的博士論文封面並點出許多與國內學制上的不同。這天所分享的演講題目是他在博士期間的研究,她也在講題的最後與我們分享他目前正在進行的研究題目,分別是「水稻鋅元素的調控機制」、「水稻對新興污染元素的耐受性探討」以及「施用微量元素促進水稻抗蟲之效益」,期待未來她再來與我們分享這些與台灣農業相關的研究。

 

Q&A

Q : 金屬超富集植物在成長不同階段吸收重金屬的效率是否不同?

A : 成株的根系發達,吸收效率較幼株佳。

Q : 台灣農田中的主要重金屬污染物質——銅、鋅是說哪裡來的?

A : 工廠排放的,此外施肥也會排出鎘。

Q : 請問Noccaea caerulescens的應用情形。

A : 在歐洲實際應用沒有問題,但該植物開花前要有4C左右,8-10個月的冷處理,所以在台灣可能不太可行。

花絮照片 (other photos)

Figure 1講者分享他在荷蘭體驗到的風俗與特產

Figure 1講者分享他在荷蘭體驗到的風俗與特產

Figure 2講者與本次講題

Figure 2講者與本次講題

Figure 3頒發感謝狀

Figure 3頒發感謝狀

Figure 4 QA時間

Figure 4 QA時間