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硼(Boron)影響玉米的生長與繁殖

過去在植物生理學課本上,對於硼(Boron,元素符號B)對植物的重要性著墨不多。裡面只有提到,缺硼的植物,因為細胞分裂被抑制,在整體結構上會出現許多不正常的地方,而且嚴重會導致生長點(meristem)壞死。

在美國東半部以及密蘇里州,土壤缺硼是常見的作物產量不佳的原因。最近,在密蘇里州立大學(University of Missouri)的研究團隊,發現硼對於玉米的發育與繁殖佔很重要的角色。另一個在紐澤西州羅格斯大學(Rutgers University)的研究團隊,也有類似的發現。

這兩個研究團隊分別發現了一個硼通道蛋白(Boron channel protein)與硼運輸蛋白(Boron Efflux transporter);有意思的是,雖然兩個突變株的玉米其中一個名為tassel-less1tls1,意為爛穗子,tassel是雄花),而另一個叫做rotten earrte,意為爛穗,ear是雌花),但是缺乏這兩個蛋白的其中之一,都會使得玉米無法產生雄花與雌花。



不過,不論這兩個基因的哪一個產生缺損,突變株的玉米都可以藉著額外添加硼酸(boric acid)來彌補。其中rotten ear的突變株,要在100 μM的硼酸下,才能有正常的型態發生,但是還是不能正常結果;要到提供200 μM的硼酸,才能夠完全正常,結出果實。但是野生種(wild-type)只需要23.4 μM的硼酸就夠了。

而在tassel-less1的實驗中,由於研究團隊是直接在土壤中測試,因此無法如rotten ear的實驗一般,可以把硼酸的濃度調到極高。但是,他們的實驗成果也顯示了,用含有硼酸的水來澆灌植物,的確可以使硼缺乏的症狀改善。

其中tls1除了運輸硼之外,還有輸水蛋白(aquaporin)的功能。而密蘇里的研究團隊也發現,由於位於細胞壁之間的果膠質(pectin)中的多醣分子RG-II(rhamnogalacturonan II)的結合需要硼的存在,缺乏硼會使結合降低,造成RG-II在果膠層中的比例降低。於是細胞與細胞之間的連結變弱,造成生長點(meristem)崩解。這也讓我們想到,植物生理學課本中所記錄下來的:生長點壞死。

但是硼缺乏是否真的影響細胞分裂?兩個研究團隊都沒有提到這一點,但由於這兩個基因的任一產生缺損,都可以用添加更多硼的方式來彌補,也表示了植物還有其他運…

Lupin 入侵美國?!

最近,美國食藥署(FDA)針對Lupin發出了警訊。

Lupin?路平教授嗎?難道美國出現了狼人?


當然不是。Lupin是羽扇豆(Lupinus),在台灣有個俗稱叫做魯冰花。美國食藥署之所以會對羽扇豆發出警訊,主要是因為一些無麩質食品(gluten-free food)裡面添加了羽扇豆來取代小麥。

羽扇豆屬於豆科(Fabaceae),它與花生、大豆是近親。由於羽扇豆蛋白質含量高、膳食纖維含量也高,脂肪含量又低,在歐洲一直都是相當受歡迎的健康食品,但是對美國人來說還是相當新的東西。可是,由於它也含有在花生中會引發過敏的蛋白質,因此,過去對花生、大豆過敏的人,在食用含有羽扇豆的食品時,有可能會引發過敏反應。
過敏的症狀不一而足,可以從皮疹、嘴唇腫脹、呼吸困難到休克;美國對花生過敏的人並不在少數,也就是因為這樣,十幾年前原本航空公司會在短程飛機上發送花生米,後來就改為發送pretzel了。筆者在新聞上看過最嚴重的過敏症狀是休克,而她接觸的劑量卻只是微乎其微--她的男友早上吃了夾花生醬的三明治,因為知道女朋友對花生過敏,還先刷了牙才去約會,沒想到還是引發過敏。
因此,食藥署希望消費者在食用含有羽扇豆成份的食品時,要留意可能產生的過敏症狀。

其實筆者一開始看到歐洲人吃羽扇豆,覺得有點驚訝;因為之前對羽扇豆的印象是,它含有lupinine生物鹼,常常造成放養的牛隻中毒,而羽扇豆的果實裡面生物鹼含量最高;由於羽扇豆在秋天結果,因此牛隻在秋天時最常常發生中毒。沒想到竟然成為「健康食品」?


在維基百科的資料裡面也提到,lupinine有苦味,不過因為羽扇豆有營養價值,所以現在已經有經過育種培育的不含lupinine的羽扇豆了。但是,似乎還不能去掉會導致過敏的蛋白質,所以FDA才會發佈警訊。

這讓筆者想到,我們常常因為聽說某些食品對身體好(我想那個清單可以一直寫到天邊),就勇敢的「以身試食」,懷抱著「反正是食物又不會怎樣」的想法,但是,食物裡面也含有許多不同的蛋白質、脂肪、醣類等等,對不同的人可能會引發不同的反應;甲的美食可能是乙的毒藥,不見得對人人身體都好,但是大家卻百分之一千的放心⋯而近年來大家似乎也對於加工食品愈來愈放心,但是層出不窮的食安事件,似乎也告訴我們,食品下肚前好像該想想到底吞下了什麼,是吧?


參考文獻

2014/8/25. New gluten-free ingre…

高熱量產出的植物-甘蔗(sugarcane)

以單位面積土地來算,甘蔗(sugarcane,Saccharum officinarum)的卡路里產出是最高的。


一英畝的亞熱帶土地拿來種甘蔗,所產出的蔗糖總熱量是800萬卡。要達成同樣的熱量產出,需要超過四英畝的土地所種出的馬鈴薯、或是九到十二英畝的土地所種出的小麥。

資料來源:

Sweetness and Power: The Place of Sugar in Modern History,Sidney W. Mintz

鐵蛋白(ferritin)的大用:製造永續燃料?

鐵蛋白(ferritin)是細胞中用來儲存鐵的蛋白質,由於鐵對所有的生物都很重要,所以在所有的生物中都可以找得到這個蛋白質。


在所有的生物中,鐵蛋白都是由24個單體(構造類似上面的圖)所構成的聚合體(如下圖),脊椎動物中的鐵蛋白聚合體是由分子量較小的「輕」(L)鏈與分子量稍大的「重」(H)鏈構成;兩棲動物還多了「中」(M)鏈。至於植物與細菌則只有一種,在序列上比較近似於脊椎動物的「重」鏈。


不論不同生物中的鐵蛋白它的結構如何,共同也是唯一的功能就是攜帶與儲存鐵離子,提供給生物需要的時候使用。不過,最近來自於澳大利亞國立大學(Australian National University,ANU)的研究團隊,將大腸桿菌(E. coli)中的一個含有血色素(heme)的鐵蛋白(因為是細菌的鐵蛋白,所以稱為bacterioferritin)進行改造,使它可以執行類似OEC(oxygen evolving complex)的功能:分解水,產生氧氣、氫離子與電子。關於OEC的更多資料,詳見「看見工作中的OEC」一文。

研究團隊將大腸桿菌的這個鐵蛋白中的血色素做了一些改變。包括以一個受光會活化的色素ZnCe6取代,然後將鐵離子以錳離子(Mn)取代,而這樣產生的新的鐵蛋白(好像應該叫做錳蛋白了),在照光時可以看到電子由ZnCe6附近的酪氨酸(tyrosine)轉移到氧化態的ZnCe6。

當然,這距離真正的OEC的功能還有一段。但是,照光以後可以看到電子的轉移,這也已經是一大步了。只是不知道ZnCe6貴不貴呢?雖然要分離出大腸桿菌的鐵蛋白應該不貴,不過若希望有朝一日真的可以經由電子的傳遞,最後可以產生氫氣,做為永續的燃料,所有環節的價格都應該要列入考慮,尤其是在技術較不發達的國家,包括維護以及修理都是需要好好思考的,不是嗎?

參考文獻:

2014/8/21. Water and sunlight: The formula for sustainable fuel. Science Daily.

Kastoori Hingorani, Ron Pace, Spencer Whitney, James W. Murray, Paul Smith, Mun Hon Cheah, Tom Wydrzynski, Warwick Hillier. 2014. Photo-oxidation …

黑麥(rye)、燕麥(oat)與神聖羅馬帝國

大家讀歐洲歷史的時候,一定讀過神聖羅馬帝國(Holy Roman Empire, 962-1806)。基本上,神聖羅馬帝國是一個很微弱的存在;雖然有教宗加持,但是他的存在感就是一直很低....

不過,這段時間的歐洲,倒是有不少改變:包括農耕技術的進步以及都市與國家的成形等,都發生在神聖羅馬帝國的前半段,到十四世紀初年(西元1300年)。

這段期間歐洲的夏季變得比較長而穩定,許多過去無法開墾的土地,因為夏季變長以及引入帶輪子的犁(moldboard plow),變得可以耕種。人口的增加促進了都市的形成,領主之間的互相征戰,進一步的促成了國家的誕生。

由於歐洲的冬天有時還是太冷,冷到連小麥都無法過冬;在這段時期也育種產生了春小麥(summer wheat)。但是危害作物的五月霜要直到進入十二世紀(1100年)後,才進入約兩百年的休止期,而五月霜對春小麥還是會有一定程度的危害,因此,當時的歐洲農民除了持續依賴大麥做為重要的糧食來源之外,還將兩種田裡面的雜草端上餐桌:黑麥、燕麥。

雖然原本是混在小麥中的雜草,但是黑麥很快就因為它耐寒的特性受到注意。尤其是在北歐,因為冬天有時候真的還是太冷,因此黑麥很快就被種在山坡地,而且經常與小麥混作,收成了以後一起磨成粉,製成所謂的黑麥麵包(rye bread)或餅乾。據說,在斯堪地那維亞半島(Scandinavia),黑麥製品仍是當地風味餐。

而燕麥這種雜草,可能是混在小麥或大麥裡面由地中海東部傳入。在這段時期的歐洲,農民們很快就注意到燕麥是種很好的飼料。而隨著新的馬具在第十世紀由中國傳入後,馬做為家畜的價值開始提升。原來,舊式的馬具,當用來拉車或拉犁時會使馬兒窒息,而新式的馬具沒有這個缺點,因此馬兒從十世紀以後便可以真正成為家畜。

但是,由於不是反芻動物的緣故,所以馬的食量比牛大很多,需要的食料也要比牛好;因此一開始馬還是用來拉車的多。等到都市形成,因為鄉村與都市之間的運輸需求,提升了對馬車運輸的需求後,對燕麥的需求也隨之大增。

燕麥本身也是種很特別的穀物,它是少數含有膽固醇(cholesterol)的植物;絕大部分的植物,因為代謝途徑上少了幾個酵素,無法合成膽固醇,不過還是會合成其他的固醇類(sterol)化合物;但是燕麥卻含有膽固醇。不過有意思的是,吃燕麥可以降膽固醇,所以有些人為了要降膽固醇,早餐要吃燕麥粥。

另外,燕麥在光敏…

大麥 (barley, Hordeum vulgare L.)為何對啤酒釀造重要?

聽到大麥 (barley, Hordeum vulgare L.),大家可能都認為是「飼料」用的,但是大麥與小麥是歷史上最早馴化成功的兩種穀物。


不管是肥沃月彎、雅典、埃及,大麥都是不可或缺的穀物。由於它的成熟期比小麥短,又比較耐旱耐鹽,對肥份也不那麼挑剔,所以在肥沃月彎、雅典兩個文明的晚期,當土地因過度開墾與灌溉而逐漸鹽化、失去肥份時,大麥便取代了小麥(當時的小麥已經不是二粒小麥,而是麵包小麥了)成為主要穀物。

但是,羅馬人始終不能接受大麥做為主食。吃大麥,對羅馬人來說,只是一種用來懲罰不好好作戰的戰士的方式,而且會視情節的輕重決定懲罰的長度,有些可能會懲罰好幾年。

大麥在啤酒釀造上很重要,因為大麥是少數穀物中除了含有α-amylase以外,還有β-amylase。同時含有兩種澱粉酶可以讓澱粉分解得更快更完全,使啤酒釀造更順利。

為什麼同時含有這兩種澱粉酶是一種好處呢?因為α-amylase的切法,是從澱粉的外側開始往裡側切;這種切法打個比方,很像蛇吃東西,一定從一頭開始往另一頭吞。這是所謂的「外」酵素(exo)。

而β-amylase則不一樣。它可以從澱粉的任何一個地方切下去,這種切法很像亞歷山大大帝切開世界無人能解的結一樣;這是所謂的「內」酵素(endo)。

外酵素一般來說,因為它要先找到「頭」才能開始切,所以會切得比較慢;我們唾液裡面的澱粉酶也是一種α-amylase,所以在吃飯的時候,除非您把一口飯含在嘴裡很久,否則您是不會感覺到飯有甜味的。

而大部分的穀物裡面也都只有α-amylase,所以在釀造麥酒/啤酒的時候,雖然有經過一個發芽的程序(發芽的目的是讓α-amylase產生來分解胚乳中的澱粉),但是澱粉也只是小部分分解而已。

而大麥因為具有兩種澱粉酶,其中的β-amylase分解澱粉的速度較快,因此在釀造啤酒時加入大麥,可以藉此導入β-amylase使澱粉分解得更快些。

不過,羅馬人雖然也喝啤酒,但是他們更喜歡喝葡萄酒。但是作戰時帶著葡萄酒是很累贅的事情,所以羅馬人在外作戰時主要還是攜帶穀物,除了可以用來作麵包還可以釀啤酒。

參考文獻:

T.R. Sinclair,C.J. Sinclair. 2010. Bread, Beer and the Seeds of Change:Agriculture's Imprint on World Hi…

原來秦朝、漢朝的主食是小米!

小米(Foxtail millet,Setaria italica,上圖)與黍(Proso millet,Panicum miliaceum,下圖)是中國在秦(221–206 BC)、漢(206 BC – 220 AD) 的主食;它們具有許多優點,包括生長期短,可以很快收穫;以及因為是C4代謝,所以對肥料的需求、對水的需求相對較低。

對肥料的需求不高,使得小米可以在黃土高原生長(黃土並不肥沃)。

中國發源於北方,北方的氣候並不適合種大米(rice,Oryza sativa,a.k.a.稻子)。

漢朝時開始有小麥出現,但是主要是做為跟小米、黍、大豆輪作的農作物。當時的中國已發展出精緻的三年輪作系統,由夏季種黍開始,接著是同一年的冬季種小麥,第二年春天收穫小麥後種下大豆,然後到第三年夏天種小米。如此循環三年,同時將土地分成三份,第一年夏天第一塊地種黍、第二塊地種小米、第三塊地種大豆....這樣田地的養分會因為有大豆加入輪作而不至於缺氮,而每年都可以有小米、黍、大豆、小麥可吃。

歐洲直到一千年後才發展出輪作,但是複雜的程度則遠遠不及漢朝。

漢朝時,開始有大米可吃,不過吃大米可能是貴族的專利。 因為有小麥,所以漢朝時開始有「麵」出現。

資料來源:

T.R. Sinclair,C.J. Sinclair. 2010. Bread, Beer and the Seeds of Change:Agriculture's Imprint on World History. ISBN:9781845937058

用路人安全與農業生計,應該是可以兼顧的

今天的一個新聞,引起了我的注意。
詛咒公告!「破壞者有報應」 鎮公所下咒保護路燈
原來是,那段路過去因為光照不足,所以經常發生車禍;於是公所裝了路燈。但是,裝了路燈以後,因為路旁有菜園,日夜被路燈照射的結果,菜都提早開花賣不出去。於是,農民只好去破壞路燈。


其實這個狀況,應該可以找到兩全其美的解決方法,至少可以不需要詛咒。讓我先從一個很久很久以前的故事說起吧!
1947年,中美洲千里達(Trinidad)的農民們發現,自從附近蓋了一個煉油廠以後,他們種的稻子都不開花了;不開花就沒有穀子可以收,這下要怎麼辦呢?
焦急的農民於是找了當地的科學家來幫忙。當地的科學家到處看看以後發現,雖然大部分的稻子都不開花,可是種在大樹下的稻子會開花,接著就想到不久前看到的一篇期刊論文。這篇論文裡面提到,植物開不開花與黑夜的長度有關。
既然想到黑夜的長度,接著他們就想到凶手一定是剛蓋好的煉油廠。煉油廠為了把多餘的油氣燒掉,不分白天夜晚都點著一個大火炬,就是這個火炬讓稻子開不了花。
於是,農民們要求煉油廠晚上要把火關小一點,另外還要裝個大罩子,盡量不讓火炬的光照射到附近的稻田,這件事才解決。
當時,有關植物光週期的研究才剛開始;事實上,那位當地的科學家看到的期刊論文,是世界上有關光週期的「第一篇」文章:也就是說,如果沒有那篇文章,煉油廠可能根本懶得理他們的要求呢!
事實上,也因為夜晚的光照會影響到農作物開花,所以台九線的一些路段,只有有稻田的一邊有路燈,讓燈光照著沒有田的那一邊;而且路燈旁邊也都有加上燈罩,避免散射光影響到稻子的生長。
所以,對於西螺那段路的問題,我因為不在現場,大概只能提出幾個可能的解決方案:
一、對於只有一邊有菜園的路段,可以仿效台九線的做法,讓路燈照向沒有菜園的那一邊,同時也裝上類似燈罩的東西來避免散射光。

植物之間的「耳語」...

看過菟絲子(Cuscuta spp.)嗎?這種寄生植物喜歡把它長長的莖纏繞在其他植物上,然後再將它的吸器(haustorium)插入植物的莖來吸取養分。嚴重時可以使寄主植物死亡呢!

不知道大家有沒有想過,為何被寄生的植物就那麼乖都不抵抗呢?雖然我們也會看到植物被小花蔓澤蘭爬滿而死亡,但是小花蔓澤蘭並不是寄生在植物上,所以植物大概也不知道要如何抵抗吧!但是菟絲子可是會侵入寄主植物的,怎麼植物都不知道要抗議呢?

最近維吉尼亞理工學院(Virginia Tech)的研究團隊發現,原來菟絲子在寄生的時候,會將自己的信息RNA(messenger RNA)送入寄主;而寄主也會送一些自己的信息RNA給菟絲子喔!

怎麼發現的呢?研究團隊利用菟絲子的吸器只會朝寄主莖的中間深入,而不會遍佈寄主全身的這個特性,挑選了三個部位,分離出它們的mRNA:

如上圖A,這三個部位分別是:寄主的莖(HS)、寄主的莖與菟絲子的接觸部位(I)、以及靠近寄主的菟絲子的莖(PS)。照理說,既然菟絲子不會遍佈寄主全身,那麼HS就不可能會有菟絲子的信息RNA了。

分離出信息RNA之後,因為信息RNA並不穩定,所以研究團隊利用反轉錄酶(reverse transcriptase),將信息RNA先反轉錄為互補DNA(complementary DNA),然後再將互補DNA進行分析。研究團隊為了後續分析方便,還將這些互補DNA做成「互補DNA文庫」(cDNA libraries)。

將文庫內的互補DNA定序並仔細地分析與比較後,研究團隊發現,菟絲子會把自己的信息RNA送進寄主的組織中,而寄主也會把自己的信息RNA送給菟絲子(見上圖B)。也就是說,寄主跟寄生生物之間,有「交談」發生喔!

寄生生物會送自己的信息RNA、甚至DNA到寄主的體內,這並不是先例;許多病毒在感染寄主的時候都會做這樣的事情;而農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)在感染植物時,也會將自己的一段DNA送到植物體內。但是被寄生的生物將自己的信息RNA送到寄生生物體內,這倒是第一遭呢!

究竟它們在「談」什麼呢?目前大概的分析顯示,最大宗的分別是跟代謝有關的基因,以及對刺激作出反應的基因。但是到底它們談話的詳細內容是什麼?研究團隊說,請大家期待「續集」喔!

參考文獻:

Gunjune Kim, Megan L. LeBlanc,…

你的咖啡裡面真的只有咖啡嗎?

近幾年巴西的乾旱以及病蟲害,使得咖啡減產;而根據2012年英國Royal Botanic Gardens and the Environment的一項研究又顯示,全世界70%的咖啡供應區將因為氣候變遷,在2080年之前消失。因此,最近這幾年咖啡的價格持續上揚...

酗咖啡的癮君子們(筆者也是其中一員),你們在喝下今天早上的咖啡時,是否有想過裡面真的只有咖啡嗎?

過去對於「假」咖啡的鑑定都是很主觀、定性的,包括在顯微鏡下面觀察咖啡顆粒,以及品嚐咖啡來鑑定真假。事實上,在顯微鏡下面觀察咖啡顆粒,在1850年的哈塞爾醫師(Arthur Hill Hassall)就已經在做了。



而最近,巴西的隆得里納州立大學(State University of Londrina)的研究團隊,發展了使用液相層析(liquid chromatography)來定量分析咖啡裡面的不純物。

首先他們用咖啡豆研磨出來的咖啡粉進行液相層析,先建立純咖啡的「指紋」;然後便可以將市面上的咖啡拿來進行分析。

研究團隊說,他們的分析已經有95%的準確度。

咖啡在收穫及加工的過程中,會因為意外加入一些不應該加入的成分,例如木材、樹枝、小的棍棒、羊皮紙、咖啡種子的外殼、整個咖啡漿果甚至團塊狀的泥土;而隨著咖啡價格上揚,也會有一些不純物是有意加入的,譬如玉米、大麥、小麥、大豆、米、大豆、巴西莓種子(scai seed)、紅糖或澱粉糖漿等。這些東西一旦經過烘焙、研磨之後,便成為肉眼難以分辨的物質,而在顯微鏡下觀察,雖然已行之有年,但仍稍嫌主觀。

現在,有這個分析的方法,可以幫助各國的癮君子們了解,到底他們喝的真的只有咖啡,或是有其他的物質摻雜在內?當然,或許最保險的方法,是買了豆子現磨,或是買了豆子回家自己磨;不過最近閱讀「咖啡萬歲」一書時,發現咖啡商人還是可以在咖啡豆上面包覆一層物質來增加咖啡豆的重量。

難道咖啡癮君子們自種咖啡的時代來臨了嗎?唉!

參考文獻:

2014/8/11. Keeping filler ingredients out of your cup of coffee. Science Daily.

處處可見的藻華(algae bloom)是因為過量施肥?或者其他?

學過美國地理的朋友應該都知道五大湖吧!筆者當年就對五大湖印象深刻,後來才知道,原來五大湖的湖水深淺各不相同。

其中伊利湖(Lake Erie,下圖深藍色部分)是五大湖中水最淺的一個湖,平均水深只有18公尺,而西岸的水尤其淺。最近因為發生了嚴重的藻華狀態,使得位於俄亥俄州的Toledo市(位於伊利湖最西邊的尖角上)因為藍綠菌微囊藻(cyanobacteria )Microcystis 所產生的毒素,市長被迫在數週前要求市民不得飲用自來水。

但是,這樣的狀況其實在美國發生的頻率愈來愈高。去年在Toledo市附近的一個小城也因為同樣的理由必需要求市民改喝礦泉水。

有些人可能會想:為何不能把微囊藻的毒素去掉就好了呢?原來,被微囊藻污染的水,不能經由煮沸將毒素除掉--毒素不怕熱,而微囊藻會因為加熱煮沸而死亡,釋放更多的毒素到水中;要除掉毒素必需要加入化學藥劑以及使用活性炭才能去掉毒素,整個過程非常的昂貴。因此,一旦水中的微囊藻濃度超標,除了叫大家喝礦泉水之外別無他法。


而這些微囊藻又怎麼會大量繁殖呢?原來是因為湖裡面的有機磷含量過高,使得微囊藻大量繁殖。過去,在伊利湖周邊的城市,為了解決有機磷排放的問題,已經規定洗潔精、洗衣粉等家用清潔劑不得使用含磷的產品;而這項措施使得排入伊利湖的有機磷減少了三分之二。原本以為這樣應該就可以不必再煩心藻華的問題,但是伊利湖附近的農場卻為附近的居民帶來了另一個問題:過量施肥。

原來,農場習慣在前一年的秋天、冬天或當年春天在作物尚未種植之前,先在田地裡施肥(應該是稱為基肥),這樣農作物種下去以後,就會有足夠的養分。可是這樣的施肥法,使得大部分的肥料(氮與磷)都隨著雨水流到附近的河流,以及湖泊--對於Toledo附近的居民來說,就是伊利湖。

估計農夫施放的肥料(主要是氮與磷),大約有60%都流走了;為什麼氮與磷會這麼容易流走呢?

原來,土壤顆粒的主要成分是矽酸鋁(Al2Si2O5·(OH)4),而矽酸鋁帶負電,造成陽離子容易吸附;但是植物能吸收的氮與磷的形式是硝酸根(NO3-)與磷酸根(PO4-3),這些都是帶負電的離子,當然與土壤顆粒同性相斥。於是造成氮與磷在土壤中很容易流失,而這兩種礦物質的缺乏,也是最容易影響到農作物產量的原因。

因此,農夫主要施放的肥料也以氮與磷為主。可是,放得愈多,隨著雨水流到附近的河川、湖泊的就愈多;氮與磷濃度上昇後…

全球暖化,植物一定會向北向上走嗎?

有許多調查發現,全球暖化使得植物往高緯度、往上(高海拔)移動(1);而對於有些原本就生活在高海拔地區的植物來說,暖化可能會使他們失去原棲地而滅絕(2)。根據周昌弘院士的研究,台灣從1906至2006年之間在氣候暖化影響下,在合歡山區的中高海拔野生植物,每年以3.6公尺速率往高海拔遷移生長,如此下去,有六種高山植物恐怕會滅絕(3, 4)。

但是,最近的一個大規模的研究卻發現:全球暖化的確會造成植物移動,但是這個移動不見得一定是往高緯度或高海拔地區移動(5)。

華盛頓大學(University of Washington)的研究團隊,收集了過去40年將近300種植物的地理分布資料,涵蓋的區域從加拿大北部的洛磯山東麓,到內華達州的Sierra Nevada mountain西邊。接著他們把這些資料與過去40年來的氣象資料(包括溫度、雨量、降雪等)一起作比較與分析。

當第一次分析的結果出來時,他們還以為算錯了。因為他們的結果是:植物往低海拔(向下)移動了。

於是他們再分析了一次,結果還是一樣:植物往低海拔區域移動。

於是他們仔細地檢視了資料,發現植物往低海拔地區移動的原因是因為:全球暖化造成高海拔區域的降雨與降雪明顯減少,於是植物為了水分,只能往低海拔區域移動。

這個研究結果提醒了我們,生物在氣候變遷時,所要適應的不僅僅只有溫度。雨量/降雪的變化,也會影響到植物的生存。雖然往低海拔移動代表氣溫變得更熱,但是面對「水」這項立即的考驗,或許氣溫的變化對植物造成的害處較小。

或許氣溫的變化相比於降水(雨/雪)來說,對植物的生存影響較低;但有些對溫度變化適應力較低的植物,氣候暖化還是會使他們走向滅絕吧?就如動物中的兩棲類是遷徙能力較低的,這幾年也發現兩棲類受到氣候變遷的影響最大。只是不知道之前周院士所列舉出的六種高山植物(玉山抱莖籟簫、細葉山艾、巒大當藥、玉山金絲桃、玉山當歸與阿里山薊)是否對於溫度變化適應力較低?或者在考量氣溫與降水的雙重標準後,有更多其他的種類需要被列入?


除此之外,全球暖化對降水的另一個影響是綿綿細雨減少,暴雨增加;如此一來,是否也會對植物造成不一樣的壓力呢?當總降水量不變,但降雨次數減少時,代表植物需要有更好的抗旱/澇能力,這樣的考驗,是否會造成植物大量滅絕呢?眼前我們沒有答案,但是面對目前的種種狀況,保存種原應該是目前非常要緊的一件事了。

參考文獻:

1…

伊波拉出血熱(Ebola)的實驗性特效藥-ZMapp

最近有幾關伊波拉病毒的新聞,其中之一是「感染伊波拉病毒的第二名美國人返美」;事實上,到目前為止,兩位感染到伊波拉的美國人(第一位是醫師、第二位是傳教士)都回到美國接受治療了。

如果讀者也如筆者一樣是好奇寶寶的話,應該會覺得這兩位美國人為什麼要回到美國來治療呢?難道美國真的有什麼特效藥嗎?

的確是有的,只是目前還在實驗階段,所以只能在美國境內使用。這個特效藥叫做ZMapp。

今天又有一個新聞,提到「伊波拉實驗藥 專家:難量產」;原來這個ZMapp是在菸草裡面用基因轉殖的方式殖入三個抗伊波拉病毒的單株抗體(monoclonal antibodies)基因,這三個基因在菸草中表達以後,要提取抗體時,只需要將菸草採取下來、磨碎、純化之後,才能使用。

我們的外電這部分翻譯得很有趣,都說「這種菸草葉的生長期多達數星期」,好像這種菸草長得比別人慢似的,其實菸草本來就要長那麼久,幾個星期對植物來說並不算長。


根據Mapp生物科技公司在網路上提供的簡單資料,ZMapp是由兩個公司的單株抗體所組成的混合劑:其中MB-003來自於Mapp,而ZMAb則來自於Defyrus/PHAC。根據「國際商業時報」(International Business Times)訪問Mapp生物科技公司的報導中提到,在實驗室的老鼠接種過伊波拉病毒後立刻給予MB-003單株抗體,可以提供100%的保護(也就是說老鼠不會得到伊波拉出血熱);而若實驗鼠接種過伊波拉病毒後立即給予ZMAb,也可以達到100%的保護,如果接種後兩天才提供ZMAb,則有50%的保護效果。

所以,在「危機總動員」(Outbreak)電影中提到的抗血清,美國已經有了;但是要像電影裡面提到的在短時間大量生產,其實電影是有點言過其實了,就算讓直接在動物裡面生產抗血清,應該也沒有那麼快吧?要接種、取出生產抗體的白血球,大量增殖這種白血球的過程,通常還是要使用融合瘤(hybridoma)的技術,以筆者過去在大學得到的印象,篩選表達有效抗體的白血球並製作融合瘤來表達單株抗體,豈是一兩天可以達成的事情?只希望美國的這個特效藥有效,未來可以造福無數人呢!

法屬蓋亞那總督之賠了夫人又折兵

巴西種植兩種咖啡,一種是現在很普遍的Arabica(照片中的黃色區域),另一種是Robusta(紅色)。其實巴西本來不產咖啡,據說是Francisco de Melo Palheta引進的。


當時(1727年)荷蘭與法國為了蓋亞那的咖啡事業吵得不可開交,戰爭似有一觸即發的樣子;後來法屬蓋亞那總督找來Francisco de Melo Palheta這位巴西的官員(葡萄牙人)幫忙調停。他要求事成之後總督要提供咖啡生豆給他。

調停成功,但是總督卻賴皮。 結果Francisco de Melo Palheta就把總督的夫人給騙上床,騙得總督夫人幫他偷到生豆,讓他帶回去巴西栽種。 總督真是賠了夫人又折兵啊~

愛爾蘭的馬鈴薯飢荒

如果不是十九世紀時的小麥無法在愛爾蘭的大多數區域生長,馬鈴薯不會得到關注;

如果沒有馬鈴薯,愛爾蘭的人口不會增加到九百萬;

如果沒有Penal Law,信仰天主教的愛爾蘭人,應該可以受教育、出任公職、購買土地;

但是,就是因為Penal Law,愛爾蘭人不能受教育、出任公職、購買土地、任何像樣一點的工作,都被禁止;甚至也不許把孩子送到海外去受教育,所以歐洲的人說他們沒有知識、懶惰,因為除了馬鈴薯,沒有太多別的東西在愛爾蘭長得好,所以只能種馬鈴薯;

一年一年的種馬鈴薯,製造了孵育病菌的最佳溫床;

加上因為不能受教育,相關的農業知識缺乏,所以也不知道應該要把罹病的馬鈴薯丟棄;

所以在要命的1845年之前,已經有數不清次數的中小型飢荒....

雖然說依賴單一作物敵的確是飢荒的原因,但是看來其實這原因似乎也不能說是當地人的問題。

唉...

解出光敏素的結構,是否真能夠「捉弄」植物呢?

今天一早,就看到一篇報導有關擬南芥(阿拉伯芥,Arabidopsis thaliana)的光敏素B的結晶結構被解出來了。

過去這類的分子一向被認為很難解出結晶結構,主要有幾個原因,包括分子很大(擬南芥的光敏素有一千多個氨基酸)、結構不穩定(光敏素有兩種構形conformation,分別是吸收紅光的Pr與吸收遠紅光的Pfr,而這兩種構形在光敏素與色素分子phytochromobillin結合後,就以不同比例存在;簡單來說,無法提純出100%的Pfr,也沒有100%的Pr。但是如果不跟色素分子結合得到的結晶結構也沒有意義)等因素,使得光敏素要結晶很困難;但是在將光合細菌中的光敏素取得結晶以後,科學家們由細菌的經驗,摸索出如何將高等植物的光敏素結晶的條件,於是有了擬南芥光敏素B的結晶結構(2)。

不過,要把一千多個氨基酸那麼大的蛋白質給結晶還是有相當程度的難處;所以這次的結晶結構是光敏素的前半部,也就是光敏素主要感應光的部分(PSM, photosensing module)。

這部分的結構解出來,對於了解高等植物的光敏素又邁進了一步。雖然擬南芥是個雜草,但是它也是高等植物,而且是十字花科的高等植物,與高麗菜、大白菜等都有親戚關係,所以了解它的光敏素的結構,也可以幫助我們了解更多高等植物對光感應的機制。

怎麼說呢?因為光敏素B是高等植物裡面最重要的光敏素,它在植物的成長、開花、結果上,都佔有重要的角色。


由上圖B與C可知,缺少光敏素B(phyB,圖B左二以及圖C左二)使擬南芥在幼苗時期(圖C左二)呈現類似「豆芽菜」的狀態:子葉小而色淡、胚軸延長,而在成體(圖B左二)則除了持續有葉片為淺綠色的狀態之外,花莖細軟而長、結果也少。

這些性狀都是因為植物自認為光線不夠所產生的。怎麼說呢?

葉片小而呈現淺綠色,是因為缺乏光敏素B使得植物感應到光線不夠,因此必需將胚軸/莖伸長以獲取更多光線。同時,在尚未能夠獲取更多光線之前,由於植物認為目前所能獲取的光線並不足以提供正常大小的葉片來進行光合作用,滿足葉片自身的能量需求,因此葉片要長得小一點、裡面的葉綠體數目要少一點(淺綠色),這樣才不會因為過度擴張造成全面垮台的危機。當然,因為植物自認為光線不夠它合成足夠的養分,所以結果也少。

事實上,除了上述的這些性狀(phenotype)以外,缺少光敏素B的植物會提早開花,這也是植物在自認為能量…

一些有關甘蔗的隨想

上圖是巴西聖保羅省的甘蔗園,看著這一望無際的單一作物,心理的沈重是很難說明的。

過去在教授「大崩壞」裡面有關海地的章節時,總是對於海地在革命後不僅將白人全部趕走,還定下非常嚴苛的法規,不允許白人在當地持有土地或進行事業,覺得不可思議。

但是,等到閱讀了很多有關於甘蔗種植的歷史以後,才忽然了解到背後的原因。

在美洲殖民史上,從非洲進口奴隸,主要從事三種農產品的種植:菸草、棉花與甘蔗。而這三種農產品之中,消耗最多人力的是甘蔗。

法國人在取得海地後,在海地建立的就是甘蔗莊園;1786年有27萬名奴隸,第二年就增加到40萬。種植甘蔗的奴隸是最苦的,每天要工作二十小時,不是在大太陽下面種甘蔗、砍甘蔗、除草,就是在熱到攝氏六十度的熬煮室裡面將甘蔗汁煉成粗糖。根據「植物帝國」裡面說的,種植甘蔗的奴隸平均壽命只有其他奴隸的一半。於是海地在1791年秋天爆發了革命,法國的軍隊開始不斷的血洗這個地區。

直到1825年,海地革命最後終於成功,但是根據「拉丁美洲:被切開的血管」裡面提到,為了取得法國(海地的宗主國)承認,新政府也必需賠償法國一大筆款項,再加上因為不斷種植甘蔗而變得貧瘠的土地,也使得海地的狀況雪上加霜。而這些部分,Jared Diamond在他的書裡面都沒有提到。


篩管細胞(sieve tube element)如何去核(enucleation)?

種子植物之所以能長得如此高大,主要的原因是因為他們有維管束(vascular tissue)。維管束的主角是導管(xylem)與篩管(phloem),因為導管源源不絕地將水分由根往莖、葉運送,篩管則將葉片進行光合作用(photosynthesis)後產生的富餘養分往根部運送,使得植物能夠年復一年地不斷長大,長成數百公尺高的神木。

導管是由死的細胞組成,功能就如我們家裡的水管一樣。水分之所以能夠在導管中「逆天行事」,是因為葉片在進行蒸散作用(transpiration)時,會產生一個拉力;而導管內的水分子與導管壁上的纖維素也會有吸附力。加上水分子之間的內聚力,三力合一就這樣把水分拉上去了。

篩管是由活的細胞組成;篩管的糖份運輸是依靠「來源端」(source)的葉肉細胞(mesophyll)、篩管細胞與導管之間的水濃度差異產生的推力,以及「儲存端」(sink)的篩管細胞、導管以及根部皮質細胞(cortex)之間的水濃度差所產生的拉力,使篩管的運輸由葉片往下走到根部去。

但是篩管的運輸,除了一推一拉之外,還有更複雜的。來源端的水濃度差的產生,是因為篩管細胞以及葉肉細胞上的蔗糖主動運輸所產生的;而儲存端的水濃度差,也是因為篩管細胞以及根部皮質細胞上的蔗糖主動運輸所產生的。也就是說,不論是在來源端或是儲存端,如果沒有蔗糖主動運輸的產生,就不會有「推力」跟「拉力」,也不會有篩管的運輸了。

由於篩管裡面運輸的是有機物質,所以篩管細胞是活的細胞;但是為了要降低養分在運輸過程中的消耗,所以篩管細胞是無核的,就像我們的紅血球一樣。

不過,不管是篩管還是導管,他們一開始都是有核的活細胞。導管到最後要死亡,而篩管要去掉細胞核以及其他的胞器。

最近來自芬蘭赫爾辛基大學的研究團隊,發現了控制篩管細胞發育過程裡面,負責去核的基因們(1)。

研究團隊同時也使用掃瞄式電子顯微鏡進行超薄切片,建構了整個去核的過程。他們發現,篩管細胞核先由圓球形變得皺巴巴的,然後再縮小、分解,融入細胞質中。而這整個過程,乃是由一群基因負責控制的。

研究團隊發現了兩個轉錄因子(transcription factor)NAC45與NAC86,在去核過程發生前才在篩管細胞中開始被表現出來。而且,當兩個基因同時缺損時,植物會因為篩管細胞無法形成,導致突變植物在幼苗時期就死亡。而當研究團隊將NAC45在一般細胞中表現時,則會…

懷孕期暴露於DDT,對下一代的健康有影響

根據加大戴維斯分校(University of California, Davis)的一項研究顯示,孕鼠暴露在殺蟲劑DDT被發現與後代的健康狀況:如肥胖、糖尿病、高膽固醇發生的風險增加相關(1)。

這項發表於7月30日的Plos One的研究成果中,是第一次證明女性接觸DDT會提高產生代謝症候群(體脂肪、血糖和膽固醇增加)的風險。 在美國,DDT在20世紀70年代已被禁用;但是在瘧疾疫區(包括印度和南非),DDT仍繼續用於瘧疾防治。 


科學家讓老鼠暴露在相當於生活在瘧疾肆虐的地區的的人會接觸到的DDT劑量。美國當年暴露在這個劑量的準媽媽們生下的小寶寶,現在大概也有五十多歲了。

科學家們發現,出生前暴露於DDT會使得雌性小鼠的代謝變慢,變得怕冷。這提高了未來發展出代謝症候群的風險。 為什麼呢?因為,哺乳動物必須調節體溫以生存下去;但是,DDT使雌性小鼠產熱的能力下降。如果吃的東西差不多,但是沒有產生一樣多的熱能,那麼多餘的熱量就會被存儲起來;於是就會比其他人容易變胖。 

這個研究還發現,在DDT對後代的影響中存在著明顯的性別差異。女性暴露在DDT之下,造成肥胖、第二型糖尿病、和高膽固醇的風險較高;但是DDT對雄性幾乎沒有影響,只有血糖水平略有增加。研究團隊也發現,高脂肪飲食也引起雌性小鼠更多葡萄糖(血糖)、胰島素和膽固醇的問題,但對男性卻沒有影響。這些部分還需要進一步的研究來釐清。 

台灣曾在1952-1956年多次噴灑DDT以消滅瘧蚊,防治瘧疾(2);當年懷孕的婦女,如今生下的小孩也都已經五、六十歲了;不知道這些人裡面,是否代謝症候群的發生率有顯著增高呢?或者,這些人裡面是否有什麼疾病的發生率與其他年齡層的人比較起來,有偏高的現象呢?

參考文獻:

1.2014/7/30. Pesticide DDT linked to slow metabolism, obesity and diabetes, mouse study finds. Science Daily.
2.林宜平。2010年8月。DDT與樹頭的死貓—台灣除瘧的科技與爭議。科學發展,452期。