科学研究 - 无可奈何花落去……奈良先端大学等阐明“樱花为何凋落”的生物机制

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（阳光和煦春日里，何奈樱花早飘零）。

这是日本平安时代的和歌诗人纪友则（Kino Tomonori）所作的一首和歌，被收录在《古今和歌集》中，作为《小仓百人一首》也广为流传。意思是“在阳光和煦的春日里，为何樱花急匆匆地凋零了呢？”。答案终于在令和时代（日本年号、2019年起）揭晓了，这是“因为自噬（autophagy）的作用”。自噬是细胞自身分解细胞内废弃物的一种机制，被日本科学家发现后由于获得诺贝尔奖而广为人所知。此次，奈良先端科学技术大学院大学、理化学研究所等阐明，自噬还掌握着花朵凋谢的机理。

樱花“无情”地凋谢，浮满水面。2005年4月，笔者摄于东京千鸟渊

细胞的重要维护功能

自噬是将细胞内老化的蛋白质和细胞器分解（自噬作用）后再利用的机制。它存在于真核细胞中，通过净化细胞内部和制造氨基酸等必要的分子来维持细胞的活力。这是动植物为了保持健康不可或缺的、重要的细胞新陈代谢功能之一。自噬作用让废弃物不是随着时间的推移不知不觉地被分解，而是会被细胞主动分解。在希腊语中，“Auto”是自己，“Phagy”是吃的意思。东京工业大学荣誉教授大隅良典于1988年成功观察到酵母的自噬现象，1993年发现了14种相关基因，并于2016年获得了诺贝尔生理学或医学奖。

在动物的自噬过程中，细胞内会形成由双层膜构成的“自噬体”囊泡，并吞入老化的蛋白质等。“自噬体”囊泡与含有酶的“溶酶体”细胞器融合后，分解“自噬体”囊泡中的物质。自噬机制可以抑制癌症和神经退行性疾病等多种疾病，在发育、分化、老化和免疫机制中发挥着重要作用。另一方面，在植物中，自噬体与储存水分、营养素和废弃物等的“液泡”融合，分解自噬体中的物质。

自噬对植物而言非常重要，因为它在整个生命过程中都在不断构建植物本身。研究发现，控制自噬的基因在谷类和花卉（花卉=开花植物）植物中非常常见。另外还观察到，在花瓣老化的过程中，细胞器等被液泡吸收并部分分解。因此，一直以来花朵凋谢也被认为是自噬作用的结果，但这一观点此前一直未被阐明。

关于开花的研究有很多，现在是时候进行实验了

因此，奈良先端科学技术大学院大学先端科学技术研究科副教授山口畅俊（植物生理学）的研究团队利用实验中常用的模型植物拟南芥进行了研究。山口先生表示：“不知道大家有没有想过，为什么樱花会凋谢呢？我之所以开始研究，就是因为想搞清楚其中的基本原理”。“想知道到底是为什么？”的想法成就了先端研究的动机。关于开花的研究有很多，但对开花之后的现象却很少有人研究。

与正常的拟南芥（左）相比，不能产生茉莉酸的变异拟南芥的花朵凋谢更慢，花期更长（供图：奈良先端科学技术大学院大学）

研究人员关注的重点是植物荷尔蒙之一的“茉莉酸”。这是一种有趣的物质，当叶子被昆虫吃掉时，植物会合成这种昆虫不喜欢的物质，并传输到植物的其他部分，从而减少危害的蔓延。这在高中生物的教科书上也有说明。“茉莉酸”还具有促进衰老的功能，而无法产生茉莉酸的变异植物的花朵凋谢较慢，因此茉莉酸被认为是凋谢的关键。

对普通的拟南芥进行调查后发现，在花瓣即将凋谢之际，除了茉莉酸之外，花瓣基部还积存着能氧化和损伤物质的“老化物质”活性氧。另一方面，在无法产生茉莉酸的变异拟南芥中，不仅花瓣基部无法积存茉莉酸，活性氧的积存也明显减少。

在显微镜下观察花瓣基部的细胞。发现在普通的拟南芥中，所有不必要的物质都在花落之前被分解，液泡中没有任何残留。而在变异拟南芥中，在液泡中发现了不需要的物质，这表明植物的新陈代谢出现了异常。由此可以看出，通常情况下，自噬在花朵凋谢的过程中起着主导作用。

拟南芥花瓣基部的细胞。左边为通常的植株，白色液泡中没有明显的物质。右边为无法产生茉莉酸的变异植株，液泡中有圆形的不必要物质（供图：奈良先端科学技术大学院大学）

以“茉莉酸”为触发点，基因相继发挥作用……

接下来，研究人员调查了基因在花朵凋谢之前的作用方式，并阐明了以下过程：（1）开花时，花瓣中开始产生茉莉酸并不断积存；（2）在花瓣基部与应激反应相关的“ANAC102基因”发挥作用；（3）受此影响，控制自噬的基因发挥作用，从而使花朵凋谢。

此外，在控制自噬的基因变异体中，花朵凋谢变得更慢。研究人员在花瓣基部人为地制造基因，诱导自噬，从而成功地让花朵凋谢。

研究人员对比了通常的拟南芥与茉莉酸不起作用的变异拟南芥。将与自噬相关的基因产生的蛋白质与标记为绿色的荧光蛋白（GFP）进行融合后发现，正常植株在临近凋谢期时会产生自噬体，GFP的荧光增多。之后，自噬体在凋谢之前转移到液泡中，和里面的物质一起被分解，荧光也就此消失。而变异拟南芥中，即使过了应该凋谢的时期，还能观察到荧光。这表明自噬体出现积存，也就是说没有发生自噬作用。

花朵的变化和与自噬体相关基因产生的蛋白质（ATG8a与GFP相融合）的关系。正常植株（野生型）在临近凋谢的时期蛋白质会增加，并在凋谢前消失。在变异体中，即使过了应该凋谢的时期还能持续观察到蛋白质（供图：奈良先端科学技术大学院大学）

一系列的研究结果表明，花朵凋谢是由茉莉酸触发的自噬机制引发的。此次的研究团队由奈良先端科学技术大学院大学、理研、都柏林圣三一大学（爱尔兰）、日本公益财团法人Kazusa DNA研究所、名古屋大学和中部大学组成。相关成果于2月6日刊登在英国科学杂志《Nature Communications》上，奈良先端科学技术大学院大学等于2月8日发表。

让花店老板和顾客都高兴的研究成果

对于此次的成果，还有一个纯朴的疑问。开花是为了吸引昆虫来授粉。那么，自噬为什么又特意让花朵凋谢呢？难道不能一直让花开着吗？就这个问题我们询问山口先生，他表达了自己的观点：“虽然还不太确定……但如果不放弃多余的部分，它们会不停地吸收营养。植物的自噬大概是在回收营养，并将糖分等营养输送到身体其他部位之后，花才凋谢的吧。”