港大植物學家研發植物生長技術助緩解氣候變化和糧食短缺問題

你是否感到愈來愈熱? 根據美國太空總署和美國國家海洋及大氣管理局資料，2014年是自1880年以來最熱的一年。自1880年有儀器記錄以來，最暖的10年都是自1998年發生。根據聯合國「政府間氣候變化專門委員會」 (IPCC) 「第五次評估報告」，累積​​排放的二氧化碳是全球平均地表變暖的決定性因素，並預測在沒有執行更多減少溫室氣體排放措施的情況下，2100年全球平均地表溫度將可能會較1850至1900年的平均溫度上升攝氏3.7度至4.8 度。為了緩解這個問題和減慢全球變暖的速度，利用植物或藻類增加二氧化碳的吸收率是其中一個可行的策略。

香港大學(港大)理學院生物科學學院副教授林文量博士率領的研究團隊及其學生劉益松博士，在模式植物擬南芥 (Arabidopsis thaliana) 上研發出能促進植物生長速度及提升種子產量達百分之38至57的新技術，以增加植物吸收大氣中的二氧化碳。此技術將來或有助提高糧食生產，並解決人類文明的另一危機 ─ 因人口過多而引致的糧食短缺問題。據聯合國2015年「世界人口展望」報告指出，全球人口到了2050年將增至97億，較2000年增長達百分之57。

在此技術中，研究人員在模式植物擬南芥中找到了能促進植物生長的基因，名為「紫色酸性磷酸酶2」 (AtPAP2)。紫色酸性磷酸酶2雙重定位於植物細胞內兩個產生能量的細胞器 --- 葉綠體和線粒體中。葉綠體進行光合作用，以太陽能把大氣層的二氧化碳轉化為碳水化合物。植物一方面以此用於細胞壁、生物量和種子的生長，另一方面被線粒體轉化成「三磷酸腺苷」(ATP)，以提供能量推動多種細胞生化活動。

這是世界上首項對「紫色酸性磷酸酶2」的研究。研究團隊發現，同時提高「紫色酸性磷酸酶2」在葉綠體和線粒體上的表達，可提升模式植物的生長速度 (見圖1)，並增加種子產量達百分之38至57 (見圖2)。原因是「紫色酸性磷酸酶2」可以促進某些蛋白分子進入葉綠體和線粒體，繼而分別提高它們收集太陽能和產生「三磷酸腺苷」的能力; 而「紫色酸性磷酸酶2」是第一個蛋白分子被發現可以同時調節這兩個能量生產細胞器的輸出能量功率。

林博士今年在兩個國際會議中發表此研究結果，包括5月在波蘭召開的第九屆「國際植物線粒體生物學會議」和9月在克羅地亞舉行的第二屆「FEBS植物細胞器信號工作坊」。林博士在這兩個會議中分別是來至香港和中國的唯一演講者。這項研究共發表了8份論文，刊登在多份期刊，包括植物生理學、以及生物燃料和生物技術; 同時在港大技術轉移處的協助下，有關技術亦正申請專利，期望日後可應用於商業用途。

圖1.        擬南芥在大量表達「紫色酸性磷酸酶2」的「實驗組」生長速度，明顯較「控制組」快。

圖2.       擬南芥在大量表達「紫色酸性磷酸酶2」的「實驗組」成熟速度較「控制組」快，並能在完全成熟的情況下，長出比「控制組」多百分之38至57種子。

林博士表示：「我們很高興這項研究發現已經引起許多植物科學家的極大興趣，我們的研究結果有助植物科學家更深入探討高能量分子的供應對植物細胞內各種生物流程的影響，並能進一步研究能量供應如何影響植物對抗各種生物和非生物的脅迫。然而，這只是很多研究的開始，我們十分需要香港社會提供研究經費以支持我們進行更深入的研究。」

觀看簡報，請按此。
有關植物生長速率的片段，請瀏覽(如需採用，請列明「港大生物科學學院副教授林文量博士提供」：
https://www.youtube.com/watch?v=yljJvVv9eP4 及 https://www.youtube.com/watch?v=0Arf_rbzvow

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Dr. Lim said: “We are happy to make this discovery which has aroused great interest from many plant scientists, as our research findings would allow plant scientists to study the impacts of high energy supply to various biological processes in plant cell, and to study how energy supply affects plants’ abilities to cope with various biotic and abiotic stresses. However, it is just the beginning of a number of research projects, and funding support from the community is certainly essential for future discoveries.”

This research is supported by the Strategic Research Theme on Clean Energy of the University of Hong Kong.

For the powerpoint presentation, please click here.

For videos on the growth rate of the plants, please visit:
https://www.youtube.com/watch?v=yljJvVv9eP4 and https://www.youtube.com/watch?v=0Arf_rbzvow
(Video courtesy: Dr. Lim Boon-leong, School of Biological Sciences, HKU)

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