中大新聞中心

香港中文大學（中大）生命科學學院卓敏生命科學教授姜里文教授帶領由香港、日本和美國科學家組成的國際科研團隊，最近在植物液泡起源方面取得重大突破。他們利用世界領先的三維電子斷層掃描技術，以納米分辨率揭示了植物根細胞中液泡起源的奧秘。有關研究成果已刊載於著名學術期刊《自然 — 植物》（Nature Plants）並被重點推薦。 

液泡是植物細胞中最主要的細胞器，在調節植物生長和發育中起著重要作用。液泡具有多種功能，包括溶解功能、儲存蛋白質和糖類、維持膨壓、平衡細胞體積和防禦反應等。此外，在植物種子生物反應器中，液泡被認為是用於儲存和生產藥用蛋白的理想細胞器。儘管液泡體積很大並具有多種功能，但在過去四十年中，植物溶解型液泡的起源機制仍存在爭議，目前有兩個不同的液泡起源模型。第一個模型認為彼此分離的液泡是由內涵體融合而成；而另一個模型則主張相互連通的液泡是由內質網衍生而來。這兩個模型都建基於二維透射電子顯微鏡和三維共聚焦顯微鏡的研究結果。然而，鑒於植物液泡的複雜性和多變性，唯有通過三維透射電子顯微鏡或全細胞斷層掃描技術，以納米分辨率解析，才能更好地揭示液泡的形成。

在過去逾十八年，中大姜里文教授的科研團隊一直致力於研究蛋白質傳輸機理及細胞器的生物形成機制，在植物細胞生物學領域一直處於國際領先地位。在是次發表於《自然 — 植物》的研究中，姜教授的科研團隊利用世界領先的三維電子斷層掃描技術，結合場發射掃描電子顯微鏡技術和光轉換技術，研究植物根細胞中不同階段的液泡，並以納米分辨率揭示了液泡起源的奧秘。

本研究的主要新發現包括：

（1）三維電子斷層掃描結果證明植物初生液泡為直徑介於400納米至1,000納米彼此分離的小液泡（SV）（圖1-2）;

（2）這些小液泡含有腔內小泡（ILVs）並由多囊泡體（MVBs）衍生而來（圖2）;

（3）全細胞電子斷層掃描結果展示了在植物皮層細胞中，不同大小液泡的性質和彼此之間的關係（融合和分離）（圖3）； 

根據上述的新發現，研究團隊提出了植物細胞中新的液泡發生模型（圖4）， 指出液泡是由多囊泡體融合衍生而來，其中包括一系列多種蛋白參與的融合過程。該模型對未來植物液泡研究具有指導意義。 

這項研究是革命性的，因為它不僅揭示了液泡起源的分子機制，而且是未來液泡功能研究的基礎。這將為提高農作物抗逆能力和抵抗病原體感染，以及用植物液泡（特别是種子儲存型液泡）生產藥用蛋白提供新的見解。此外，該研究還建立了使用三維電子斷層掃描技術在細胞器重建研究中的新標準。

姜里文教授表示：「這是十八年來，我們多個AoE/CRF資助項目中最好的研究工作之一。是次研究成果將重新定義教科書中有關植物液泡的概念，並對植物生物技術應用帶來重大影響。液泡對於調節植物生長和發育以及對環境的響應是必不可少的。此外，在植物生物反應器中，種子中的液泡被認為是用於儲存和生產治療人類疾病藥用蛋白的理想細胞器，是次研究為生產藥用蛋白提供了新思路。」

是次研究主要由姜教授實驗室的一位博士後研究員（崔勇博士）和兩位博士生（曹文瀚和何藝林）完成。是次研究項目獲香港研究資助局的卓越學科領域計劃（Areas of Excellence Scheme）和協作研究基金（Collaborative Research Fund）、中大細胞器生物合成及功能研究中心（Centre for Organelle Biogenesis and Function）、細胞及發育生物學研究中心（Centre for Cell and Developmental Biology）以及農業生物技術國家重點實驗室的支援。 

由姜教授指導的研究生和博士後研究員因卓越的研究成果多次榮獲各項殊榮，至今已有超過十五名學生在香港，中國內地、新加坡和美國擔任獨立項目負責人。