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新興科技–病毒誘導基因靜默法於農業上的應用

2016/09/22
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病毒誘導基因靜默技術是一種可以在數周內便可以完成植物基因功能研究之新興科技,由於此技術不需要冗長的植物生長周期亦不需要昂貴的轉殖設備,因此在1999年開始受到科學家的重視與應用
 
 
 
隨著全球暖化和氣候變遷,導致農作物遭受病蟲害與惡劣氣候的威脅越來越嚴重。研發耐旱、抗鹽以及抗病害等各式抗逆境物種更顯重要,因此研究學者需要一套快速有效的方法,來探討基因功能。傳統研究植物基因功能的方法主要包含有性繁殖以及基因轉殖。但是傳統方法相對費時費工,有時花費數年進行研究,因此發展受到限制。病毒誘導基因靜默 (virus induced gene silencing,VIGS) 技術是一種可以在數周內便可以完成植物基因功能研究之新興科技,由於此技術不需要冗長的植物生長周期亦不需要昂貴的轉殖設備,因此在1999年開始受到科學家的重視與應用。

自然環境中,當病毒感染寄主植物後,病毒除了會大量表現自身複製所需的酵素與骨架蛋白外,亦會產生一段RNA去對應植物的抗病相關基因所轉錄的mRNA。使得抗病相關基因mRNA與病毒RNA形成複合體,進而失去轉譯成蛋白質的能力甚至被分解。最後導致植物無法產生足夠的抗病蛋白質,以抵抗病毒的入侵,並對植物產生疾病。然而,科學家以巧思利用病毒抑制植物特定基因表現的特性,構築不具病毒毒性的重組病毒載體,做為工具抑制植物體內特定基因表現量,稱為VIGS技術 。也就是當重組病毒感染植物後,病毒會大量表現並找到植物體內相對應的基因片段,以形成不具活性的RNA複合團,並使得特定基因的表現被快速抑制。因此,VIGS技術具有病毒式快速傳播性、基因靜默程度高效率性及特定基因的高專一性等特性,使它成為後基因體時代中研究的重要工具。科學家可利用VIGS技術作為研究植物在面對環境逆境時,探討各種大量表現的基因功能與環境逆境之間的關係。表一及表二整理出,目前科學家們利用VIGS技術獲得特定基因在植物對應逆境中所扮演的角色。

例如表一中,當小麥處於乾旱逆境時,TaEra1或TaSal1基因靜默植物 (基因表現量下降) 表現出來抗乾旱特性,此結果顯示TaEra1或TaSal1基因在小麥抵抗乾旱逆境中扮演負向調控者。另外,當野生小麥於強光逆境時,TaPGR5基因靜默植物表現更明顯的傷害,說明TaPGR5基因可能參與植物防禦強光環境。上述實驗使用的載體均為為大麥條斑嵌紋病毒。除了非生物性逆境研究外,生物性逆境研究亦是熱門題材,例如表二中,當辣椒受到病毒感染,CaPLP1基因靜默植物更顯感病。結果表示CaPLP1基因的表現不利於植物抗病。而番茄感染青枯病菌需要植物賀爾蒙基因的參與。VIGS技術甚至可以用來研究植物生長過程所需的重要基因功能,如表三所示,科學家可藉由VIGS技術研究植物的花形、種子、葉形甚至整個植株的發育。

VIGS工具中一項重要的環節為病毒載體的設計,通常良好的病毒載體必須具備不影響植物生理、可以快速傳播到植物體各組織以及容易操作等特性。目前,常用來操作VIGS的載體病毒為馬鈴薯X病 (Potato virus XPVX)、煙草脆葉病毒 (Tobacco rattle virusTRV) 及菸草嵌紋病毒 (Tobacco mosaic virusTMV) 等。筆者研究經驗發現,單一種類的病毒載體並不一定適用所有植物。不同的作物在使用上述病毒載體常常面臨實驗作物並非是該病毒的寄主植物,造成基因靜默效果不佳的問題。因此,臺灣許多研究團隊紛紛從事研發新的或適合的病毒載體。其中,成功大學陳虹樺教授團隊以改良式蕙蘭嵌紋病毒 (Cymbidium mosaic virusCymMV) 作為病毒載體研究蝴蝶蘭,在經過大量篩選以VIGS技術抑制基因表現後發生花形變異的特徵的目標基因,找到一群 含MADS區域基因群參與花形結構的生成。中研院與中興大學團隊於2015年最新研究成功利用竹嵌紋病毒 (Bamboo mosaic virusBaMV) 及其衛星RNA (satellite RNA,satBaMV) 作為VIGS病毒載體,並運用於單子葉與雙子葉植物上,這些突破性的研究有利於未來找尋新穎具有特定功能基因,更可進一步利用育種技術針對性的獲得抗逆境作物。(感謝科技部補助「新媒體科普傳播:健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫III, MOST 104-2515-S-214-001」。)
 
責任編輯:楊智惠
審校: 王英基,黃耿祥
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