植物的「硝酸鹽轉運蛋白」為什麼重要？
過去僅知道植物會利用氮肥中的硝酸鹽做為養分來源，而利用分子生物學的技術，可探討植物吸收硝酸鹽的機制，及如何有效利用硝酸鹽等未解之謎。藉由了解轉運蛋白的作用機制，進而提升植物利用氮肥的效率，從最微小的基因尺度，用科學方法來改善農業、環境以及能源等問題。
長年投身於研究植物硝酸鹽轉運蛋白，中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳的研究成果，不僅刊登於國際頂尖期刊 Cell 中，更於日前獲頒臺灣傑出女科學家獎。 攝影／張語辰
從大學時開始進入實驗室做實驗，到現在擁有自己的研究團隊，蔡宜芳也帶領著下一個世代繼續研究。她向我們分享這一路走來的點點滴滴，望著窗外一片青綠，蔡宜芳談起為什麼願意投身植物的研究，她笑說：「因為覺得植物很美，植物默默在那邊生長，無怨無悔地提供我們人類養分。」
氮肥吸收暗藏秘密
Q：植物是如何吸收硝酸鹽作為養分，及其中轉運蛋白如何運作？
植物可以吸收的兩種氮源型態為：硝酸鹽、氨鹽。不管是施用什麼形式的氮肥，土壤中的細菌都會幫忙轉換成植物可以吸收的型態。而在土壤中，由於硝酸鹽的含量比較高，所以植物主要是吸收硝酸鹽進入體內作為氮源。
我們在三十年前就知道氮肥很重要，並且多是以硝酸鹽形態被植物吸收，但相關的研究主要集中在傳統生理探討，並不知道在這個機制裡，植物體內負責吸收硝酸鹽的蛋白是什麼。
細胞膜是通往細胞內外的必經路障。而硝酸鹽是帶電離子，無法自己通過由脂質構成的細胞膜，必須由蛋白質的協助才能通過。
1990～1993 年，我在美國做博士後的時候，植物的分子生物技術才剛發展起來。在那之前的實驗多是測植物吸收硝酸鹽的能力；或是在不同環境下，吸收能力變化等較傳統的生理實驗。然而，我們以前都不知道，是什麼樣的蛋白質在負責硝酸鹽的通輸。
因為這個蛋白質很難找，差不多有兩年的時間，我經常整天都坐在電生理實驗檯上。在當時的技術背景下，需要建立新的研究方法。當時的實驗室老闆也曾經一度想停掉這個計畫案，擔心我白白花費太多時間在這上頭，但我想的是既然都作到一半了，就繼續堅持下去。
1994 年回臺灣之後，我們團隊陸續發現，位於植物細胞膜上的硝酸鹽轉運蛋白 CHL1 身兼數職。
CHL1 蛋白不僅轉運硝酸鹽進入細胞內進行運用，更會感測土壤環境中的硝酸鹽濃度後，調控下游基因表現來幫助植物更有效率地利用硝酸鹽。透過研究此轉運蛋白，我們可更進一步了解農作物利用氮肥的原理與機制。
位於細胞膜，身兼數職的硝酸鹽轉運蛋白 CHL1 。 圖／C.-H. Ho, S.-H. Lin, H.-C. Hu, and Y.-F. Tsay* (2009) 圖說重製／江佩津、張語辰
植物對環境很敏感，全是為了活下去！
Q：從早期的植物研究方法，到現今的分子生物研究技術，如何在這類研究中進步、成長？
在有分子生物技術之前，多是進行遺傳學或生理學的研究。很早以前，荷蘭的研究團隊就已經找到無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株 (mutant)，並開始研究它的生化特性，確認它就是硝酸鹽 (nitrate) 吸收壞掉的突變株，但當時因為沒有分子生物技術，而無法做進一步研究。
我常說，在我十歲的時候這個突變株就在了，可是因為沒有分子生物學的技術，而無法確知是哪個基因出問題導致它無法吸收硝酸鹽。
在 1990 年，分子生物技術剛建立起來，而我就利用這個工具去找。找到這個基因後，我們也開始做一些延伸性研究。由於在植物體內有另外 52 個基因和 CHL1 同屬一個蛋白家族，我們團隊也逐一地去了解它們的基因功能。經過數年研究，了解到植物是如何吸收硝酸鹽進來，而後送往地上部，又如何在不同環境下重新分配不同組織內的硝酸鹽。
我們發現，植物會想盡各種策略來確保年輕葉片有足夠的硝酸鹽，並且在開花結果後，植物也會把硝酸鹽輸送給種子做利用。
這樣一系列的反應都被研究出來後，就可了解硝酸鹽在植物中輸送的各種路徑。
小學跟中學常考的一個植物學考題是：根據教科書的教條，認為無機的氮源(例如硝酸鹽)只會在木質部中輸送，有機的氮源（例如胺基酸）才會在韌皮部篩管中輸送。但是，我們的研究發現教科書的教條需要修改，硝酸鹽可以在韌皮部篩管中輸送，而且這個輸送機制對植物的生長很重要。
另一部分，我也對蛋白質的調控感興趣。植物本身有兩種硝酸鹽的吸收系統，在土壤硝酸鹽含量很低時，負責作用的系統為「高親和性系統」；在土壤中的硝酸鹽含量很高時，負責作用的系統為「低親和性系統」。植物利用此兩個吸收系統去應對外界多變的硝酸鹽環境。
以前科學家都認為這是兩個獨立的系統，直到 2003 年我們實驗室的博士班學生劉坤祥研究發現：轉運蛋白 CHL1 可藉由磷酸化的轉換，感受到細胞外面的硝酸鹽濃度變化，來調節自身的吸收模式。
(左圖)當環境中硝酸鹽濃度較低時，CHL1 會因磷酸化，而成為高親和性的轉運蛋白。
(右圖)當硝酸鹽濃度較高時，CHL1則被去磷酸化，以轉換成低親和性的轉運蛋白。
圖／K.-H. Liu and Y.-F. Tsay*. (2003) 圖說重製／江佩津、張語辰
這個研究告訴我們：植物有能力感應外界環境的硝酸鹽變化；不只是轉運蛋白會改變，植物也知道濃度低的時候省著點用、濃度高就貯存，因應變化來調控基因表現。這一系列反應很快，三十分鐘就會誘發基因表現。
我曾有一次聽植物鈣離子傳導的演講，演講者說：「實驗發現傷害植物的時候，鈣離子的訊息會增強。」所以會不會有可能當你吃生菜沙拉的時候，植物其實是會痛、有反應的？因為在自然界中，植物不能動，所以它對環境一定要有很好的偵測方法，還有因應策略。不管種子在哪裡發芽，都要想盡辦法在那個環境中存活下來。
改善植物吸收肥料的效率，以利生態環境
Q：過往普遍認知氮肥可幫助作物生長、提供產量，但近年發現氮肥會影響生態、也有食物殘留風險等，這如何能透過生物技術、研究來改善？
1950 年代的綠色革命發現氮肥可以讓產量翻倍，人口因此開始增加。原本的肥料是取自海鳥糞，後來找到了硝石礦，但仍是不足以應付需求，因此德國化學家弗里茨‧哈伯 (Fritz Haber)找到方法把氮氣轉換成植物能應用的形式。但氮氣的鍵結是很強的，要打斷鍵結要高溫高壓，是非常耗能的事，以至於全世界約有 1~2% 能源是花費在製造氮肥。
氮肥到土壤裡會被細菌轉換成硝酸鹽，但硝酸鹽不易保存在土壤中，下雨就會沖刷、進入到水循環。如此耗能生產的氮肥，施用下去田間，其實只有一半或少於一半能夠被植物利用。而湖川海洋中過多的硝酸鹽會造成優養化作用，形成藻華、Dead Zone，這其實是全球性的生態影響。
因此，我們希望想辦法解決這個問題，讓植物吸收硝酸鹽的效率好一點，進而減少環境的汙染、製造氮肥的能源消耗。
氮肥供應充足的時候，硝酸鹽養份主要會送往成熟葉；但在缺乏氮肥時，植物會把儲存在老葉的硝酸鹽運送到嫩葉。看到這種轉移的情況，我們就想：如果能夠強化這種轉移養分的機制，是不是就能夠加強氮肥的利用效率？
如下圖，我們研究發現，葉子中有一個 NRT1.7 基因有這個作用，如果能加強 NRT1.7 的基因表現，或是活化參與這個轉移機制的蛋白質活性，就可以提高植物利用氮肥的效率，進而促進植物生長。目前已經在阿拉伯芥實驗成功，也已取得臺灣和美國的專利，現在則是在水稻、菸草上進行試驗，這其實是個很漫長的過程，但一旦成功，對於生態環境是一大助益。
阿拉伯芥中，調控硝酸鹽吸收的基因 NRT1.11, NRT1.12 和 NRT1.7 ，透過不同路徑養護嫩葉。
圖／Ya-Yun Wang∗, Yu-Hsuan Cheng∗, Kuo-En Chen and Yi-Fang Tsay(2018)S.-C. Fan, C.-S. Lin, P.-K. Hsu, S.-H. Lin, and Y.-F. Tsay*(2009) 圖說重製／江佩津、張語辰
對我來說，要一直用新的技術來回答新的問題，因為新的技術一定能夠讓問題的答案更深入，但我認為最重要的還是找到你要問的問題。而我最想問的問題是：植物是如何去處理它的養分，來做它最好的生長反應？研究過程中經常解決了一個問題後，還會有下個問題。
我一直喜歡植物研究的一個特色是，你可以從分子生物的尺度、到整株植物的生理去探索你的問題的答案，並發現這一切都相互呼應。
因為太專注於分子生物層面的東西，有時候是細微到只看到蛋白質的交互作用，但這樣細微作用如何影響到整個作物的生長，甚至是最後到農業的產量，這是我最感興趣的。
不只是學術，科學研究的重重挑戰
Q：當初為何會投入植物、科學的研究？
我覺得投入研究的重點是「好奇」。你一定要有好奇心，會想追求一些新問題的答案。一名科學家必須要有好奇心，同時也需要有你的邏輯思考能力去尋求答案。
我大學是台大植物系的，會就讀植物系其實是個很浪漫的原因──只是因為我很喜歡植物而已。我喜歡走進森林的感覺，讓我很想去了解植物。
大四時，進到實驗室是做組織培養，那時候是很熱門的題目，因為很新奇。植物組織加入不同荷爾蒙，就會變成地上部的葉子或地下部的根，那是由於植物細胞有全能分化的能力。組織培養雖然有趣，但知其然不知其所以然，完全不知道是什麼原因造成這些變化，無法滿足我喜歡打破砂鍋問到底的個性，所以碩士就開始就往分子生物的領域走。不過因為那時植物的分生研究還沒發展起來，我就先從研究酵母菌開始，把分生基礎打好；等到讀完博士班，開始找研究題目、看論文時，發現仍是植物相關研究最能觸動我的神經，所以我就決定要再回去研究植物。
圖／pixabay
我覺得在科學的養成上，技術是一環，但邏輯思考的養成比技術的養成更難。邏輯思考的養成更要慢工出細活，很難一步到位。
看論文時，去找到這篇論文的核心價值是很重要的。做研究還要知道在這個領域中，最重要的問題是什麼。畢竟，找到問題後就是賭博了。要知道哪個方向的研究值得投資，要知道實驗資料和數據所代表的意義是什麼，如何解讀數據也是很重要的邏輯思考訓練，這些將都會成為你設計新的實驗時的依據。
其實，最辛苦的是剛開始設立自己的實驗室的時候。因為要訓練人，不是自己做就好，還要承擔所有的成敗。而且科學也是需要對外溝通，告訴資助單位、期刊還有大眾這個研究的重要性為何。
女性從事科學研究有多一層的考驗，因為社會對女性有許多的期許與要求，要兼顧家庭、事業兩方會是蠻大的挑戰。我覺得我算是蠻幸運，先生對我支持度也很高。在很多時候，女性碰到在家庭跟事業之間做抉擇時，會較容易放棄自己的事業。因此我常跟女學生說：對於家事能夠取得幫忙，就去取得，妳可以克服的，女性也可以顧全自己的事業。
延伸閱讀：
- 蔡宜芳的個人網頁
- 蔡宜芳的實驗室網頁
- 〈如何為植物調配五星級的營養特餐：談植物對於硝酸鹽 (Nitrate) 的吸收〉，作者：許博凱、蔡宜芳。《中央研究院週報》，第 1119 期。
- 〈身兼數職的硝酸鹽轉運蛋白〉，作者：郭朝禎。《科學發展》，2012 年 5月，473 期。
- 【第 11 屆臺灣傑出女科學家獎得主影片】臺灣綠色革命女強人，開創生物經濟契機
- Liu, Kun-Hsiang, and Tsay, Yi-Fang. (2003) Switching between the two action modes of the dual-affinity nitrate transporter CHL1 by phosphorylation. EMBO J, 22:1005-1013.
- C.-H. Ho, S.-H. Lin, H.-C. Hu, and Y.-F. Tsay* (2009) CHL1 Functions as a Nitrate Sensor in Plants. Cell 138, 1184–1194. (Recommended by Faculty1000, 12 stars)
- S.-C. Fan, C.-S. Lin, P.-K. Hsu, S.-H. Lin, and Y.-F. Tsay* (2009) The Arabidopsis Nitrate Transporter NRT1.7, Expressed in Phloem, Is Responsible for Source-to-Sink Remobilization of Nitrate. Plant Cell 21: 2750–2761.
- Y.-Y. Wang, P.-K. Hsu and Y.-F. Tsay* (2012) Uptake, allocation and signaling of nitrate. Trends in Plant Science 17:1360-1385.
- J. I. Schroeder *, E. Delhaize, W. B. Frommer, M. Lou Guerinot, M. J. Harrison, L. Herrera-Estrella, T. Horie, L. V. Kochian, R.Munns, N. K. Nishizawa, Y.-F. Tsay, D. Sanders* (2013) Using membrane transporters to improve crops for sustainable food production. Nature 497 (7447):60-66.
- Ya-Yun Wang∗, Yu-Hsuan Cheng∗, Kuo-En Chen and Yi-Fang Tsay (2018) Nitrate Transport, Signaling, and Use Efficiency. Annu. Rev. Plant Biol. 69:27.1–27.38.
本著作由研之有物製作，原文為《找到植物吸收養分的關鍵──專訪蔡宜芳》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。
本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
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