植物系統性免疫的超急快遞—訊息傳遞胜肽 CAPE
植物系統性免疫：從局部警報到全體備戰
當植物生病時，體內會大量產生叫做「PR1」的蛋白質。這個蛋白質早在半世紀前就被發現，科學界普遍視它為植物啟動免疫反應的「指標」，但是它真正的生物學功能，始終是一個懸而未解的謎。如今，這道長達 50 年的謎題終於迎來突破！中央研究院農業生物科技研究中心的陳逸然研究員領導的團隊集多年大成，於 2023 年發表在國際頂尖期刊《Nature Communications》的成果，揭示了 PR1 的真實身分，以及它如何啟動「系統性免疫」機制。關鍵就在胜肽！這個微小卻關鍵的訊息傳遞分子，中研院「研之有物」帶你一起瞭解。
我們可能還不夠瞭解植物
在地球的生態系統中，植物不僅是食物鏈的起點，支撐整體生態能量流動，更是守護環境與人類健康的無名英雄。它們提供天然養分以及藥物的原料，參與調控大氣與土壤的組成，並主導水的循環，是維繫地球生態平衡的核心成員。
然而，我們對植物的認識，可能比半導體或 mRNA 疫苗還不熟。陳逸然研究員在進入中央研究院農業生物科技中心之前，他的研究主軸集中在分析化學及生物醫學，與植物領域有好一段距離，也正因此，他在進入農生中心之後，才從零開始大量「惡補」有關植物的各種知識。
踏入植物研究的道路後，起初他是以番茄做為研究對象，進行免疫系統與訊息傳遞胜肽（又稱細胞訊息肽，註1）的研究，然而因為番茄沒有完善的基因剔除種源庫，無法系統性驗證他所發現的免疫分子機制，他最終轉而投入研究界公認的模式植物——阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana），並以此作為解析植物免疫機制的主要研究平台。
相對於生醫領域，踏入植物世界的科學家其實比想像中少，這讓許多重要且關鍵的植物學問題沒有機會深入探究，也導致許多植物的蛋白質或分子很晚才被發現。以「細胞訊息肽」領域來說，這類分子在許多生物體內都有，它是細胞間溝通的重要「信使」，可是在植物中被發現的年代，卻與動物有明顯差距。好比說動物體內的細胞訊息肽——胰島素早在 1920 年發現，然而植物細胞可以釋放這類分子，並和其他細胞溝通的證據，卻到 1991 年才被發現，相差將近百年。
這次的主角之一：病程蛋白一號（Pathogenesis-related Protein 1, PR1）亦是典型案例。PR1 為病程蛋白家族中第一個被發現的成員，目前已知的病程蛋白家族大約有 17 種，這些蛋白當中，有些能夠水解細菌或病毒的外殼，有些則能夠破壞細菌細胞的結構。然而，儘管 1970 年已發現 PR1，卻從來沒有人知道它在植物體內具有什麼生理功能或參與哪些反應。接下來，你將看到 PR1 的真實身分慢慢浮現。
全體警戒！植物如何啟動「系統性免疫」？
PR1 是過去科學家觀察植物抵抗病原的關鍵「指標」，當它在植物體內大量累積時，科學家就會推測植物已進入全面防禦模式。然而，植物遭遇病原的威脅時，不僅僅只仰賴 PR1，植物會透過體內不同的分子和物質相互協作，達到最佳抵禦外患的功能。
陳逸然指出，植物免疫系統目前主要區分為：水楊酸機制與茉莉酸機制，水楊酸機制專門對付細菌、病毒等共生營養型病原危害；茉莉酸機制則針對蟲咬以及壞死營養型等病原體的防禦。有趣的是，這兩種免疫反應在植物中有「拮抗」的現象，水楊酸濃度過高時，會抑制茉莉酸機制；反之亦然，植物能根據病原特性，靈活調整防禦策略。
當植物感知到病原入侵，感知部位會迅速產生局部性防禦（local defense）。例如偵測到細菌的鞭毛特徵後，迅速啟動水楊酸，進而活化與防禦相關的基因及蛋白，將病原體消滅掉。
與此同時，感知病原的部位（例如葉片）會進一步觸發全體警戒的訊號，由「信使」攜帶訊息，跑去通知植物其他部位，讓還沒感染的器官（例如其他葉片），也能及時產生水楊酸，迅速關閉氣孔，防止更多病原體進入。植物將局部警報轉化為全體備戰的機制，稱為系統性免疫（systemic acquired resistance, SAR）。
有很長一段時間，大家認為水楊酸就是那個「信使」，但後來發現，水楊酸在細胞中生成後就不會移動到細胞外。因此，一定還有其他可以自由移動的物質，負責把訊號傳遞給其他細胞，真正的「信使」另有其人。至於系統性免疫，過去科學家知道水楊酸可以促進 PR1 的合成，而 PR1 是植物進入下游系統性免疫的「關鍵指標」，但是詳細做了什麼？不知道。
在這些已知的知識基礎下，陳逸然開始思考：系統性免疫啟動時，會大量產生 PR1 蛋白，並分泌到細胞外，那麼 PR1 極有可能不只是免疫的「指標」，更有可能就是產生「信使」的重要來源！他假設「信使」可能來自 PR1 剪下來的一段胜肽，負責傳遞病原來襲的訊息，讓整株植物產生防禦。
證實這項假說並不容易。這類胜肽在植物體內濃度極低，只有在極為特殊的生理情境下才會出現，非常容易忽略。在這樣微小又隱約確定的光芒之中，陳逸然展開了他的追蹤任務，尋找這段可能存在卻始終隱身的訊息胜肽。
植物系統性免疫的信使——CAPE9
為了找出從未被發現的植物免疫分子，陳逸然團隊展開了艱難的搜尋任務。他們鎖定的核心對象，正是本研究的第二位主角：CAPE9。
CAPE（CAP-derived PEptide）家族是由陳逸然團隊發現，早年他以番茄作為研究材料時，便首次鑑定出家族中的第一位成員 CAPE1（註2），這段胜肽來自番茄 PR1 蛋白的末端，當番茄植株辨識到 CAPE1 時，會立即啟動防禦機制，有效抵禦蟲害與病原入侵。
提及 CAPE 的命名時，陳逸然笑著說：「做生物學研究，有一個很大的好處，就是當你找到一個全新的東西時，你就可以為它命名，這就跟你發現一個新的星球一樣。」
如何在浩瀚的植物宇宙中尋找 CAPE 家族成員？先把 PR1 找出來。陳逸然團隊檢視很多種植物 PR1 的蛋白質序列，比對發現 PR1 的末端有兩段序列，在演化過程中被高度保留下來：一段是「CNYD」這四個胺基酸排列的區域（註3）；另一段則是緊接在 CNYD 後方的 11 個胺基酸序列，也就是 CAPE。團隊推測，CNYD 是給植物體內某種蛋白酶辨識的切割位點，會把 D 與後方胺基酸的化學鍵結切斷，釋放出 CAPE 這個胜肽訊號。
延續在番茄的研究，陳逸然團隊比對了阿拉伯芥的蛋白質序列，發現其 PR1 蛋白末端也帶有一段與番茄 CAPE1 相似的序列，這個序列就是後來稱為 CAPE9 的訊號分子。研究團隊不僅在阿拉伯芥實際觀察到它，更證實它就是系統性免疫的「信使」，驅動了阿拉伯芥葉子的全身防禦反應。
如何證明？團隊先在阿拉伯芥的供水中加入 CAPE9，證明了此胜肽確實會讓水楊酸濃度提高，且能提升整體植株免疫力。此外，利用自行改進的質譜儀分析水楊酸處理前後的葉子，證實葉片細胞啟動水楊酸機制時，會特別提昇 CAPE9 的含量。
人們常說失去某物時才能真正了解其價值，這也是生物學家驗證特定機制的重要策略。陳逸然團隊使用基因編輯技術，產出沒有 PR1、或是只缺少 CAPE9 序列的突變植株。結果發現，這些突變植物受到局部感染之後，無法順利啟動系統性免疫反應，顯示 PR1 與後續釋放的 CAPE9 不僅是免疫反應的「指標」，更是關鍵的驅動因子。
But！問題來了，CAPE9 是從 PR1 切下來的胜肽片段，那又是「誰」切開了 PR1？這就是陳逸然團隊接下來的偵探解謎任務。
誰切割了 PR1？全面追捕兇手「蛋白酶XCP1」
根據前面的推論與實驗，我們知道 PR1 是用來產生 CAPE9 的前驅物；反之，CAPE9 是 PR1 的產物，也是用來傳遞訊息，引發系統性免疫 SAR 的訊息傳遞胜肽。材料跟產物都找到了，現在的重要角色只剩下一位還沒登場，那就是切割 PR1、產生胜肽的蛋白酶。
陳逸然說明「一開始，我們從記錄各種蛋白結構的藥物開發平台資料庫開始找起，像拼樂高一樣將資料庫內的蛋白質序列和 PR1 中的 CNYD 序列湊在一起比對，從中找出會和 CNYD 交互作用，剪切其末端化學鍵的蛋白酶。」
最初他們比對到胱天蛋白酶一號（Caspase 1），這個蛋白酶專門切割 D 胺基酸的後方鍵結，可惜胱天蛋白酶只有在動物身上發現，可調節人類先天免疫機制。那麼植物呢？
陳逸然團隊靈機一動，設計了一個「化學誘餌」，模仿植物 PR1 中的 CNYD 結構，放入阿拉伯芥葉片的萃取液，抓出那些咬餌的可疑名單，其中「體重」（分子量）為 35 kDa 的蛋白酶有最大的嫌疑。
接著，研究團隊把阿拉伯芥之中與 Caspase 1 序列相似的蛋白質都找出來，並篩選出哪些蛋白質具有這個分子量。結果發現，原來「XCP1」就是切割 PR1 的剪刀手！因為它，植物才會有免疫「信使」CAPE9。
XCP1，全名為木質部半胱胺酸蛋白酶一號（Xylem Cysteine Peptidase 1），以前科學家都不知道它到底有什麼功能。因此，陳逸然團隊也是第一個解出 XCP1 在植物體內生理功能的團隊。詳細如下圖，藍色箭頭的路徑機制，正是陳逸然團隊本次的研究成果，而黑色箭頭則是由過去科學家累積下來的基礎路徑。
召喚免疫信使 CAPE9 的環境條件？
XCP1 這個蛋白酶，專門切割 PR1 蛋白，產生免疫信使 CAPE9。然而，XCP1 的活性受到外界環境條件的高度調控，最適合 XCP1 發揮功能的溫度，恰好是 22°C，也是最適合阿拉伯芥生長的環境溫度。當氣候變遷導致環境溫度升高，XCP1 的活性便會下降，植物的免疫反應能力會變差。
有趣的是，XCP1 活性還會受到鈣離子和酸鹼值的影響。陳逸然團隊實驗意外得知，XCP1 效率最高的環境條件有兩種：一種是不添加大量鈣離子，pH＝5.0 偏酸時有最大活性；另一種是添加大量鈣離子，pH=6 不那麼酸的時候也有最大活性。
陳逸然非常開心的說：「XCP1 的最高活性會隨著環境中的鈣離子，改變最適合的 pH 值，在我的經驗裡，幾乎是從來沒有看過的。」他認為，這可能是植物演化出的一種保護機制，以下是來自論文中的推論，需要進一步實驗驗證。
正常情況下，植物不會無故觸發系統性免疫，浪費能量。在植物細胞內，鈣離子濃度偏低（nM 等級，10-9 M），環境約為中性（pH=7），XCP1 活性非常低，大家相安無事。在植物細胞外，鈣離子濃度高（mM 等級，10-3 M），環境偏酸（pH=5.5），XCP1 活性也偏低，不會隨便就大量生產免疫信使 CAPE9。
那麼，在什麼環境下植物才會緊急召喚免疫信使 CAPE9 呢？答案是：植物遭受病原體攻擊的時候！
當病原體入侵時，植物會快速反應，陳逸然推測可能是植物細胞在遭受攻擊時會馬上關閉從細胞內送出氫離子的通道。此時，細胞外的環境酸鹼值會從 pH 5.5 迅速上升到 pH 6.0 甚至更高，而這個「細胞外高鈣離子 + pH 6.0」的環境，正好就是 XCP1 活性最高的條件。原本就在細胞外的 XCP1，開始大量切割 PR1，迅速製造 CAPE9，引發水楊酸的系統性免疫。
終於！當釐清水楊酸免疫反應中 PR1、CAPE9 和 XCP1 的角色後，陳逸然嘗試建立了系統性免疫活化模型，以植物偵測到細菌鞭毛特徵 flg22 為案例，為未來其他植物免疫的研究提供更多指引。
植物免疫：充滿可能性的研究領域
為了鑑定出 XCP1 與了解它的功能與特性，陳逸然團隊花費了約 5 年的時間進行純化、確認酵素活性與交互作用實驗等。在訪談中，他分享了一個實驗小故事，當時操作 XCP1 活性實驗時，遭遇很長一段時間的失敗，不論怎麼調整，蛋白酶的活性就是不如預期。
直到有一天，靈光乍現！團隊想到植物生長的適宜溫度為 22°C，一般操作蛋白酶活性時，預設的 37°C，對它可能太熱了；一調降實驗溫度後，XCP1 的活性果然明顯提升。像這樣的故事，在八年來的研究中總是不斷地出現，或許是培養植物，或許是基因剪輯，但研究團隊都一一克服並吸取經驗，成為未來實驗設計和操作上的養分。
在研究上，團隊達成了許多「第一次發現」的新紀錄；而應用上，胜肽也有不小的貢獻，因為只要在外部替植物添加少量人工合成的 CAPE ，就能有效引發植物防禦反應，這無疑是用來替代農藥的絕佳方案。
在中央研究院智財技轉處的協助下，從番茄植株內發現的 CAPE1 已申請多國專利，使用一公克的 CAPE1 可以讓上萬株的番茄有效提昇對病蟲害的防禦力，未來在經濟作物上噴撒低濃度的胜肽，很可能變成新的趨勢。而在知識傳承上，陳逸然的植物胜肽研究成果，也被編進美國植物協會的課程教材，成為課堂內的經典案例。
關於研究的下一步，陳逸然認為，這項研究雖然發現了各個分子之間的上下游關係，但詳細的調控機制，卻還留有許多空白。例如，CAPE9 本身是否就是那個在植物體內長距離移動、傳遞警報到遠端葉片的「唯一信使」？可能是，但也可能還有其他未知的「信使」存在。遠端葉片細胞，接收到 CAPE9 訊號後，如何合成更多水楊酸？路徑中間還有沒有其他物質被合成？這些問題都還沒被解開，也是未來努力的方向。
過去，投入植物免疫與生理研究的科學家相對有限，導致許多關鍵作用機制長期處於未知之境。如今，農藥的過度使用促使病蟲害抗藥性升高，氣候變遷也使植物更易受病害侵襲；再加上全球人口持續攀升、耕地資源日漸縮減，而糧食需求卻持續上升。
陳逸然認為，我們也許正面臨一場潛在的糧食安全危機，甚至可能迎來植物多樣性的崩解，進一步引發氣候與生態環境不可逆的惡化。面對這些挑戰，需要的不只是開發新的藥物，或找到新的基因，更是一場跨越知識疆界、重新連結科學與自然的深層對話。而這場對話，正悄然從一株小小的阿拉伯芥，一段原本難以被察覺、卻能在細胞間低語傳訊的胜肽開始。註1：胜肽（peptide）是由 2 至約 100 個胺基酸組成的短鏈分子，可視為蛋白質的「小分子片段」。其中，具有細胞間溝通功能的胜肽，又常被稱為訊息肽、激素肽或細胞因子。以動物為例，胰島素即是一種典型的訊息型胜肽，由胰島 β 細胞分泌，能促使特定細胞吸收並代謝血液中的葡萄糖，以維持體內穩定的血糖濃度。植物細胞間的溝通也是主要透過胜肽，用以調控植物的生長、抵抗病蟲害的行為，維持植物的存活與健康。儘管植物胜肽如此重要，但它在植株內的含量極低，且僅在特定的情況下才出現，因此科學家對植物胜肽的了解並不多。
註1：胜肽（peptide）是由 2 至約 100 個胺基酸組成的短鏈分子，可視為蛋白質的「小分子片段」。其中，具有細胞間溝通功能的胜肽，又常被稱為訊息肽、激素肽或細胞因子。以動物為例，胰島素即是一種典型的訊息型胜肽，由胰島 β 細胞分泌，能促使特定細胞吸收並代謝血液中的葡萄糖，以維持體內穩定的血糖濃度。植物細胞間的溝通也是主要透過胜肽，用以調控植物的生長、抵抗病蟲害的行為，維持植物的存活與健康。儘管植物胜肽如此重要，但它在植株內的含量極低，且僅在特定的情況下才出現，因此科學家對植物胜肽的了解並不多。
註2：CAPE，又名 CAP 衍生胜肽（CAP-derived PEptide），此類蛋白質小分子家族皆由陳逸然命名，首位鑑定出來的成員 CAPE1，來自該研究團隊 2014 年的論文「Quantitative peptidomics study reveals that a wound-induced peptide from PR-1 regulates immune signaling in tomato」。
註3：CNYD 是以下四個胺基酸的字母代碼表示方式，依序為半胱胺酸（Cysteine）——天門冬醯胺（Asparagine）——酪胺酸（Tyrosine）——天門冬胺酸（Aspartate）。
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