不同植物在應對乾旱、炎熱等惡劣環境的反應機制各有不同，部分會透過落葉或關閉葉片氣孔，以減少水分流失，增加生存機會。然而，植物細胞特別是其內膜系統啟動這類抗旱抗逆機制的方法及過程等細節，仍尚待科學家了解。香港中文大學（中大）生命科學學院細胞器生物合成和功能研究中心的研究團隊，最近首次發現細胞內的COPII 囊泡群有重要角色，負責將抗旱的蛋白輸送至特定部位，以啟動植物的抗旱機制。相關研究發現已刊登於頂尖學術期刊《自然—植物》(Nature Plants)，為增強農作物抗旱能力的研究提供新方向。

內膜系統猶如真核生物細胞中的器官，不同膜胞器負責不同的細胞反應。其中內質網是真核生物中的蛋白工廠，負責製造膜蛋白和分泌蛋白等，其後運送到有如分發中心的高爾基體，將蛋白質分類，最後送到它們的最終目的地。由內質網到高爾基體的蛋白質輸送是由COPII囊泡負責，它們不但擔當「郵差」角色，更會按照環境變化，揀選特定的蛋白質運送，以啟動相應的保護機制。

領導研究團隊的中大卓敏生命科學教授兼細胞器生物合成和功能研究中心主任姜里文教授道出研究項目的重要性。他說：「氣候變化為全球糧食供應帶來危機，了解植物中蛋白質傳輸機理及細胞器的生物形成機制至為重要，透過生物工程尋找提高農作物抗逆能力及產量的方法。是次研究針對植物面對乾旱時如何透過激素調控形成囊泡的機制及相關的蛋白作用。」

研究團隊利用過去二十年在細胞分子學及蛋白組學的經驗及技術，配合世界領先的電子顯微鏡，首次成功利用植物來源材料在體外重組COPII囊泡。他們發現在植物激素脫落酸的誘導下，細胞會形成巨型囊泡，大小約是普通COPII囊泡兩倍或以上。這種巨型囊泡可以攜帶大量與應對逆境脅迫相關的多通道膜蛋白，運輸它們到高爾基體及其他作用地點，從而「指令」植物啟動抗旱機制。

他們同時發現，巨型囊泡的形成是受到一種名為AtSar1a的調控蛋白所影響。在乾旱實驗環境，缺乏AtSar1a蛋白的植物相比起同類型的野生品種，其葉片氣孔增大，導致水份更容易流失。根據以上新發現，研究團隊提出了植物在逆境下通過激素調控重塑內膜系統的機制，並從基礎科學的角度為抗逆農作物的培育和篩選提供了革命性新思路。

姜里文教授表示：「我們大約在 10 年前就開始了這個項目，當時我們與2013年諾貝爾生理學或醫學獎得主Randy SCHEKMAN教授合作，並跟從他學習囊泡體外重建技術。這個項目十分具挑戰性，需要運用多個複雜的生化及細胞分子生物學技術系統並應用於植物體系中。今次研究不僅發現了全新的植物對抗逆境的分子機制，更為植物生物技術中耐旱植物/農作物的培育帶來重要啟示，標誌著我們團隊在卓越學科領域計劃資助下另一個里程碑。」

此研究文章第一作者為中大細胞器生物合成和功能研究中心博士後研究員李白穎博士和曾詠倫博士，姜里文教授和香港科技大學郭玉松教授為共同通訊作者。論文全文可瀏覽：https://www.nature.com/articles/s41477-021-00997-9　

關於中大細胞器生物合成和功能研究中心

姜里文教授自2000年加入中大以來，與其團隊開展了多個植物細胞研究項目，取得一系列國際認可的研究成果，包括蛋白質運輸、細胞器生物發生和功能研究，識別植物中的新調節機制、細胞器、轉運囊泡和轉運途徑。此外，在研究資助局及中大的資助下，中心建立了多個先進的共享平台，促進中大和香港其他科研機構的合作，包括成功研發三維電鏡系統、帶有電壓相位板的冷凍三維電鏡系統，以及組建第一個冷凍聚焦離子束切片系統和冷凍光電聯用系統，這些嶄新技術提供了分析體內本源狀態下的膜細胞器和大分子複合體三維形態結構的最佳平台。