植物如何在重金屬汙染的土壤中存活？中研院20年研究找出根部的秘密

植物根部如何對抗重金屬過量的逆境？

植物根部平常看不見，卻是植物與土壤接觸的第一線，面對土壤中過量的鋅、鎘、砷等重金屬以及地殼中豐富的鐵，有些植物會從根系釋放化學分子，緩和金屬的毒性。中央研究院「研之有物」採訪院內農業生物科技研究中心主任葉國楨特聘研究員，他與團隊多年研究發現，阿拉伯芥近親「葉芽筷子芥」的根部可以分泌菸草胺來抵抗高量鋅的環境；最近更找出水稻在淹水栽種環境中，根部能抵抗過量二價鐵的關鍵基因。以下就來看看植物的地下攻防策略！

為什麼要研究植物根部？還記得鎘米事件嗎？

1980年代初，工業化的臺灣，在桃園觀音發生第一起鎘米事件，未經處理的工業廢水隨灌溉水流入農地，對臺灣西半部的農田造成嚴重且深遠的重金屬危害。農地汙染受到重視，政府逐步推動農地汙染查證工作，並擴展範圍到全國農地。到了2000年，《土壤及地下水汙染整治法》公告施行，2010年更是大幅修正以加強制度健全，試圖更全面管制土壤及水體底泥的汙染事件，都一再顯示此領域對整體社會的重要性。

2001年，剛從史丹佛大學生物學系回臺的葉國楨，加入中研院甫成立不久、任務導向的農業生物科技研究中心。原本研究植物根瘤菌與光照特性的他，在時任主任楊寧蓀的鼓勵下，決定跨出舒適圈，挑戰不一樣的主題。

「反正你今天已經從少林寺習成出來了，可以打自己的武功、自創一家。環境變遷日趨嚴重，想想你能研究哪些植物逆境。」葉國楨回憶起楊主任的話。他逐個回顧溫度、鹽分、水分、植病等植物逆境之後，發現土壤中的重金屬元素是合適的切入點，除了作為植物的營養，重金屬過量或造成汙染都是逆境。

「構成植物體的元素中，碳主要來自空氣中的二氧化碳；除了碳之外，水分與大多數礦質元素主要來自土壤，並仰賴根系吸收與調控。」葉國楨說。

當時植物根部與土壤關係的研究還不多，很多問題等待解答，例如：種植特定植物，以植生復育清除土壤的重金屬汙染可行嗎？植物又是如何調節鐵、鋅等必需金屬元素的吸收？增進糧食中必要金屬元素能否提高營養價值？

葉國楨以植物生理、生化與遺傳的專長，投入植物與土壤重金屬的研究，一走就是20多年。一路以來，他探究抗重金屬植物的根部分泌機制，從植株深入到分子層級，試圖從這些抗逆境植物中找出解方。

有好也有壞，調節土壤中的金屬元素

確立研究方向之後，葉國楨認為，除了探究植物本身，首先要知道「土壤中到底有哪些金屬？」

土壤中，除了鐵（Fe）、鋅（Zn）等普遍存在於地殼和表土的金屬，自然界也會發現砷（As）、鎘（Cd）等重金屬元素。葉國楨解釋，砷雖不是植物生長必須，卻在部分地區有較高天然背景濃度，且臺灣部分地下水中含有砷，隨著農田灌溉，微量的砷自然而然會進入土中；鎘的來源則是農業施肥造成，磷肥由開採磷礦石而來，開採中混雜微量的鎘會跟隨肥料混入土壤。

「同樣的影響，植物有不同的反應。」葉國楨說。土壤重金屬是植物的食物，也是植物的毒，不同的植物對各類金屬的耐受性不同。如果植物體內的金屬離子不足，會影響植物的生理代謝；若金屬元素的含量過高，又可能產生生物毒害、生長抑制等負面影響。

不過，有原則就有例外。部分植物會透過根系分泌物（root exudates）來調節金屬離子的吸收，以對抗逆境。葉國楨團隊曾於2017年在《Current Opinion in Plant Biology》期刊上發表回顧文章，精要說明特定植物會用不同的策略應對土壤中的逆境。

不能沒有你：鐵離子的失與得

鐵是植物不可或缺的金屬，在葉綠體和粒線體中，很多電子傳遞路徑都需要鐵的參與。土壤中通常富含鐵元素，但土壤酸鹼值較高時，鐵會形成難溶性的三價鐵 Fe(III) 化合物並沉澱，變成植物根部無法直接吸收的固體型態。

為了提升鐵離子的利用率，如阿拉伯芥、番茄、甜菜等雙子葉植物會採取三步驟的還原過程，先分泌核黃素或酚類化合物去酸化根部附近的土壤，並啟動三價鐵還原酶，將不溶於水的Fe(III)還原成可溶性的二價鐵Fe(II)，再透過轉運蛋白吸收鐵離子，為己所用。

水稻、玉米等單子葉植物則採取另一套策略。它們會從根部分泌「植物鐵載體」（Phytosiderophores, PS），載體會主動抓住土壤中的 Fe(III) 形成複合物，再經由根部的轉運蛋白吸收進去。

太多了先不要：抵抗過量重金屬

面對土壤中過量的重金屬時，少數植物則透過分泌低分子量有機酸（LMWOAs）到體外，與重金屬結合成穩定的螯合物，緩解重金屬的毒性，阻止過多重金屬離子進入根部。

酸性土壤中，金屬鋁（Al）、鎵（Ga）在土壤中常以高活性的 Al3+、Ga3+ 三價物種型態存在，對植物具有高毒性。當特定植物的地下部感受到金屬逆境時，會分泌出蘋果酸、檸檬酸或草酸與離子結合，形成無害的複合物。例如：小麥、阿拉伯芥等會分泌蘋果酸，並由 ALMT1 轉運蛋白排出；玉米、大豆等植物會分泌檸檬酸，再由 MATE 家族蛋白負責運送。

此外，能緩解鎘（Cd）毒性的植物，有特定品種的番茄與特殊生態型的東南景天（Sedum alfredii），能在根部分泌大量的草酸與有機酸，與鎘形成可溶性的複合物，使植物在高汙染環境中也能正常生長。

至於緩解鋅（Zn）毒性的代表植物，則是十字花科的葉芽筷子芥（又稱為葉芽阿拉伯芥, Arabidopsis halleri），當它感受到土壤有過量的鋅，根部會分泌大量的金屬螯合劑「菸草胺」（Nicotianamine, NA），和鋅形成穩定的複合物，調節鋅的吸收效率，防止鋅快速被根部大量吸收，減輕鋅的毒害。

2017年回顧文章也提到，東南景天與葉芽筷子芥除了能分泌金屬螯合劑以外，還能在植株地上組織累積大量的金屬，屬於地球上少數的超累積植物（Hyperaccumulators）。

大地之土毒兮？超累積植物「葉芽筷子芥」

時間倒帶至2014年，當時葉國楨團隊發表一篇《Plant Physiology》的論文，首次揭示葉芽筷子芥從根部分泌 NA 調節鋅的生物利用率，以抵抗高鋅環境。

葉國楨分享，當時農生中心強力發展的質譜技術（Mass Spectrometry）幫助很大，拿來研究植物在地下與金屬對抗的謎題，再適合不過。藉由質譜分析，團隊掌握植物的代謝物特性，找出代謝物與環境的關係。

「大部分的人都覺得，是植物本身有抗性，去看植物裡面發生什麼事。但我的假設是，我們為什麼要在國土裡打仗？為什麼不在外面就打勝仗？」參考禾本科的植物鐵載體案例，葉國楨猜測，葉芽筷子芥在高鋅環境時，應該也會有特殊的代謝物釋放到土壤中才對。

答案，正是我們今日所知的 NA（菸草胺）！

由於葉芽筷子芥生長於日本、歐洲等緯度較高的地方，且具有自交不親和性，難以繁衍後代，臺灣平地更是不易生長。因此，當初團隊與日本的合作對象取得植物，並長期在實驗室內組織培養更多的葉芽筷子芥。

葉國楨團隊分析葉芽筷子芥和一般阿拉伯芥的根部分泌物，確認在高鋅環境下，葉芽筷子芥根部分泌的 NA 濃度是普通阿拉伯芥的11.4倍。接著，他們鑑定NA和Zn的複合物，確認pH值5.5至8.5的環境下，複合物可穩定存在。此外，也使用同位素追蹤，推測Zn(II)-NA 複合物難以被植物直接吸收，有效減緩鋅進入根部的速率。

驚人的是，即便是在不耐鋅的一般阿拉伯芥中，只要給予外源NA，也能顯著提升其生物量與葉綠素含量，證明額外添加在根部外的 NA 能增強植物對鋅的耐受力。

「在當時我很高興，NA這種特殊代謝物起碼已經討論了20年，它的功能在植物體內螯合金屬離子，在運輸上扮演重要角色，從來沒有人發現它會分泌出植株外，而我偵測到了。」雖然不是太意外的實驗結果，起初投稿甚至被審稿者質疑是否是植物根部破損導致代謝物漏出，想起這段過程，葉國楨不禁莞爾。

面對審稿方的提問，團隊回頭檢視葉芽筷子芥根部與根部分泌物中的代謝物組成。結果顯示，只在根內測得的代謝物，並沒有出現在外面的根部分泌物中，支持NA並非根部破損後漏出，而是經由「某種機制」運輸至根外。用嚴謹證據說服審稿者之外，葉國楨開始尋找機制。

NA搬運工是誰？關鍵蛋白 ENA1

發現葉芽筷子芥運輸大量NA進入土壤，葉國楨的下一個問題就是：是哪個關鍵的轉運蛋白主動把 NA 排出去植株外面？

「問題的答案都是先用猜的，基於過去資料，建立合理的假說（hypothesis），再設計實驗來驗證。」葉國楨根據禾本科主動分泌植物鐵載體的轉運蛋白，比較了一般阿拉伯芥與葉芽筷子芥。他們先透過RNA定序技術找出在葉芽筷子芥根部表現量遠高於阿拉伯芥的基因，結合演化樹分析，排除掉功能已知的蛋白名單，推測：在阿拉伯芥中功能未知的ENA1，可能就是負責分泌NA的關鍵轉運蛋白。

候選基因出爐後，葉國楨團隊下一步便與日本學者合作，利用非洲爪蟾卵母細胞（oocyte）作為蛋白質生產工廠，檢驗葉芽筷子芥ENA1是否真的可以把NA輸送到細胞外。

研究人員先將ENA1的藍圖cRNA注入卵母細胞，使其表現出ENA1蛋白；3天後，把含有碳14的 NA 分子，注入卵母細胞內，定時測量外面培養液的放射訊號。他們發現具有ENA的卵母細胞在60分鐘後，排出約21%的NA訊號到培養液中；對照組則只有約 5%NA。實驗證實ENA1具有將NA主動搬運到細胞外的能力。

上述實驗很早就完成，只是投稿過程並不順遂。審稿者提出許多修改建議，同時要求葉國楨團隊針對葉芽筷子芥進行基因剔除的實驗；當時CRISPR技術尚未成熟，很難建立基因轉殖的植株。團隊仍在現有條件下努力完成審稿者的要求。

「另外一群審稿者，重新問了一次根部的細胞是不是破了。」葉國楨無奈地笑著說。在第一作者陳怡孜博士屢敗屢戰之下，研究成果才終於在2025年刊登於《New Phytologist》——第一個發現NA分泌的機制可為大眾所知。

裡應外合的ENA1：兩種防線

葉國楨團隊很紮實地確認了葉芽筷子芥和阿拉伯芥兩種植物體內ENA1的表現位置和功能差異。葉芽筷子芥的ENA1在根部所有細胞皆有發現，且土壤中含有大量鋅的時候，表皮細胞會大量表現；阿拉伯芥的ENA1反而集中於根部的內皮層與維管束、內部細胞層，且不受鋅濃度的影響。

葉芽筷子芥因為能在表皮層大量表現ENA1，所以能主動將NA分泌到土壤中螯合鋅，從源頭減少鋅的進入；而阿拉伯芥則分泌相對微量的NA，主要依賴細胞內的液泡隔離來應對鋅毒害。

葉國楨補充：「ENA1表現在卡氏帶以外的表皮層，可以把NA擴散出去根外，調節土壤中的有效金屬濃度。如果在卡氏帶以內，維管束附近，可以把已經吸進來的鋅和NA鍵結，再往上輸送。」（註 1）

研究團隊經由螢光標記，還觀察到ENA1會經由內吞循環在質膜與內膜系統之間進行持續性的循環。內吞循環是指，細胞膜上的蛋白質會在質膜與內膜系統間不斷往返移動（見下圖）。

針對此現象，葉國楨團隊提出假說，認為ENA1可能位於囊泡（vesicles）上。當細胞質合成NA，會通過ENA1進入囊泡。當植物準備分泌NA時，ENA1會和NA、囊泡一起移動至質膜，釋放出NA。

另一個假說是，植物要分泌NA時，ENA1會先被運送到質膜上，負責排出細胞質內的NA。完成任務後，ENA1再透過內吞作用回到細胞內，確保質膜上的蛋白數量維持在最有效率的狀態。

地下攻防新篇章：水稻如何適應淹水下的土壤環境？

除了阿拉伯芥系列之外，2026年，葉國楨團隊在《Nature Plants》也發表了一篇和植物地下部有關的研究，探討水稻如何在淹水低氧的環境中存活。多數傳統研究認為水稻的根系有通氣組織，可把地上部的氧氣運送到根部表面；同時當氧氣出現，可將水田缺氧環境下，還原態的二價鐵離子（Fe2+）氧化成三價鐵（Fe3+）化合物，於根系表面形成固體鐵膜，降低水田環境過量鐵的毒性。

所以過去科學家多半認為鐵膜形成，只是氧氣洩漏的自然反應。然而，葉國楨團隊發現，通氣組織和鐵膜，分別對應調控激素獨腳金內酯（Strigolactones，SLs） 與離層素（ABA）。這兩種激素往上可追溯到類胡蘿蔔素生合成途徑，而類胡蘿蔔素的製造，則由水稻關鍵基因「OsPSY2」負責。

研究團隊利用基因缺陷的水稻突變株證明通氣組織和鐵膜是獨立事件，除了得到只有通氣組織沒有鐵膜的突變植物外，當在同時缺失通氣組織及鐵膜的突變株上只提供SLs，水稻就只會長通氣組織，不會形成鐵膜；如果只提供ABA，則只會在根表面出現鐵膜，內部不會出現通氣組織。此發現顛覆傳統水稻鐵膜生成現象，需高度依賴通氣組織的主流研究說法。

實驗證實，水稻透過上述二種激素，能獨立調控根部的兩項性狀來抵抗淹水，重點是它們源自同一個關鍵基因OsPSY2。水稻作為重要糧食作物，此研究也有助於科學家進一步探討基因和激素與根部抗逆境與鐵營養素吸收的關係，打開未來選育、培育更有環境韌性的水稻之路。

深入了解土壤、植物與兩者的交互作用，從阿拉伯芥到水稻，葉國楨總在不疑處有疑，發現葉芽筷子芥根部獨特的轉運蛋白、發現水稻根部抗淹水性狀的獨立性，他不斷挑戰過去被視為「自然而然」的代謝物與植物性狀理論。

「我最喜歡的是創新，以及那些能夠挑戰既有認知、甚至推翻傳統理論的研究。」當年在鼓勵下勇於踏入陌生領域的葉國楨，如今已成為農生中心主任，並帶領團隊一步步開創出屬於自己的研究方向與學術視野。

註 1：卡氏帶，指的是根部表皮內側的重要攔截構造，能阻擋水分與離子走「細胞間隙」（apoplast）的被動運輸，並強迫它們進入細胞內（symplast），由細胞進行選擇性運輸，維管束則位於卡氏帶內部的中心位置。

本文授權轉載自《研之有物》（原文標題：看不見的地下攻防：植物如何用分泌物化解土壤重金屬危機？）

研之有物｜中央研究院

「研之有物」是中央研究院 2017 年成立的科普媒體，取音自「言之有物」，出處為《周易. 家人》:「君子以言有物而行有恆」。編輯部穿梭走訪中研院各個研究所、實驗室，採訪頂尖研究團隊，揭開研究前線的神秘面紗。