科學研究 - 無可奈何花落去……奈良先端大學等闡明「櫻花爲何凋落」的生物機制

ひさかたの光のどけき春の日にしづ心なく花の散るらむ（陽光和煦春日裏，何奈櫻花早飄零）。

這是日本平安時代的和歌詩人紀友則（Kino Tomonori）所作的一首和歌，被收錄在《古今和歌集》中，作爲《小倉百人一首》也廣爲流傳。意思是「在陽光和煦的春日裏，爲何櫻花急匆匆地凋零了呢？」。答案終於在令和時代（日本年號、2019年起）揭曉了，這是「因爲自噬（autophagy）的作用」。自噬是細胞自身分解細胞内廢棄物的一種機制，被日本科學家發現後由於獲得諾貝爾獎而廣爲人所知。此次，奈良先端科學技術大學院大學、理化學研究所等闡明，自噬還掌握着花朵凋謝的機制。

櫻花「無情」地凋謝，浮滿水面。2005年4月，筆者攝於東京千鳥淵

細胞的重要維護功能

自噬是將細胞内風化作用的蛋白質和胞器分解（自噬作用）後再利用的機制。它存在於真核細胞中，透過淨化連串裝置細胞内部和製造氨基酸等必要的分子來維持細胞的活力。這是動植物爲了保持健康不可或缺的、重要的細胞新陳代謝功能之一。自噬作用讓廢棄物不是隨着時間的推移不知不覺地被分解，而是會被細胞主動分解。在希臘語中，「Auto」是自己，「Phagy」是喫的意思。東京工業大學榮譽教授大隅良典於1988年成功觀察到酵母的自噬現象，1993年發現了14種相關基因，並於2016年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。

在動物的自噬程序中，細胞内會形成由雙層膜構成的「自噬體」囊泡，併吞入風化作用的蛋白質等。「自噬體」囊泡與含有酶的「溶體」胞器融合後，分解「自噬體」囊泡中的物質。自噬機制可以抑制癌症和神經退行性疾病等多種疾病，在發育、分化、風化作用和免疫機制中發揮着重要作用。另一方面，在植物中，自噬體與儲存水分、營養素和廢棄物等的「液泡」融合，分解自噬體中的物質。

自噬對植物而言非常重要，因爲它在整個生命程序中都在不斷構建植物本身。研究發現，控制自噬的基因在穀類和花卉（花卉=開花植物）植物中非常常見。另外還觀察到，在花瓣風化作用的程序中，胞器等被液泡吸收並部分分解。因此，一直以來花朵凋謝也被認爲是自噬作用的結果，但這一觀點此前一直未被闡明。

關於開花的研究有很多，現在是時候進行實驗了

因此，奈良先端科學技術大學院大學先端科學技術研究科副教授山口暢俊（植物生理學）的研究團隊利用實驗中常用的模式植物擬南芥進行了研究。山口先生表示：「不知道大家有沒有想過，爲什麼櫻花會凋謝呢？我之所以開始研究，就是因爲想搞清楚其中的基本原理」。「想知道到底是爲什麼？」的想法成就了先端研究的動機。關於開花的研究有很多，但對開花之後的現象卻很少有人研究。

與正常的擬南芥（左）相比，不能產生茉莉花酸的變異擬南芥的花朵凋謝更慢，花期更長（供圖：奈良先端科學技術大學院大學）

研究人員關注的重點是植物荷爾蒙之一的「茉莉花酸」。這是一種有趣的物質，當葉子被昆蟲喫掉時，植物會合成這種昆蟲不喜歡的物質，並傳輸到植物的其他部分，從而減量危害的蔓延。這在高中生物的教科書上也有說明。「茉莉花酸」還具有促進老化的功能，而無法產生茉莉花酸的變異植物的花朵凋謝較慢，因此茉莉花酸被認爲是凋謝的關鍵。

對普通的擬南芥進行調查後發現，在花瓣即將凋謝之際，除了茉莉花酸之外，花瓣基部還積存着能氧化和傷害物質的「風化作用物質」活性氧。另一方面，在無法產生茉莉花酸的變異擬南芥中，不僅花瓣基部無法積存茉莉花酸，活性氧的積存也明顯減量。

在顯微鏡下觀察花瓣基部的細胞。發現在普通的擬南芥中，所有不必要的物質都在花落之前被分解，液泡中沒有任何殘留。而在變異擬南芥中，在液泡中發現了不需要的物質，這表明植物的新陳代謝出現了異常。由此可以看出，通常情況下，自噬在花朵凋謝的程序中起着主導作用。

擬南芥花瓣基部的細胞。左邊爲通常的植株，白色液泡中沒有明顯的物質。右邊爲無法產生茉莉花酸的變異植株，液泡中有圓形的不必要物質（供圖：奈良先端科學技術大學院大學）

以「茉莉花酸」爲觸發點，基因相繼發揮作用……

接下來，研究人員調查了基因在花朵凋謝之前的作用方式，並闡明瞭以下程序：（1）開花時，花瓣中開始產生茉莉花酸並不斷積存；（2）在花瓣基部與緊迫反應相關的「ANAC102基因」發揮作用；（3）受此影響，控制自噬的基因發揮作用，從而使花朵凋謝。

此外，在控制自噬的基因變異體中，花朵凋謝變得更慢。研究人員在花瓣基部人爲地製造基因，誘導自噬，從而成功地讓花朵凋謝。

研究人員對比了通常的擬南芥與茉莉花酸不起作用的變異擬南芥。將與自噬相關的基因產生的蛋白質與標記爲綠色的螢光蛋白（GFP）進行融合後發現，正常植株在臨近凋謝期時會產生自噬體，GFP的螢光增多。之後，自噬體在凋謝之前轉移到液泡中，和裏面的物質一起被分解，螢光也就此消失。而變異擬南芥中，即使過了應該凋謝的時期，還能觀察到螢光。這表明自噬體出現積存，也就是說沒有發生自噬作用。

花朵的變化和與自噬體相關基因產生的蛋白質（ATG8a與GFP相融合）的關係。正常植株（野生型）在臨近凋謝的時期蛋白質會增加，並在凋謝前消失。在變異體中，即使過了應該凋謝的時期還能持續觀察到蛋白質（供圖：奈良先端科學技術大學院大學）

一系列的研究結果表明，花朵凋謝是由茉莉花酸觸發的自噬機制引發的。此次的研究團隊由奈良先端科學技術大學院大學、理研、都柏林聖三一大學（愛爾蘭）、日本公益財團法人Kazusa DNA研究所、名古屋大學和中部大學組成。相關成果於2月6日刊登在英國科學雜誌《Nature Communications》上，奈良先端科學技術大學院大學等於2月8日發表。

讓花店老闆和顧客都高興的研究成果

對於此次的成果，還有一個純樸的疑問。開花是爲了吸引昆蟲來授粉。那麼，自噬爲什麼又特意讓花朵凋謝呢？難道不能一直讓花開着嗎？就這個問題我們詢問山口先生，他表達了自己的觀點：「雖然還不太確定……但如果不放棄多餘的部分，它們會不停地吸收營養。植物的自噬大概是在回收營養，並將糖分等營養運送到身體其他部位之後，花才凋謝的吧。」