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目前顯示的是 三月, 2015的文章

根瘤菌(Rhizobium)與人

自從人類在一萬一千年前學會了農耕以後,如何提升農作物的產量便成為人們念茲在茲的議題。使用動物的排泄物、以及收集植物的落葉、家庭垃圾製作堆肥,這些方式都在試驗中發現可以提升產量;而可能早在古埃及時代,人們便已經發現種植豆科植物(legumes)如大豆、豌豆等,可以使土壤肥沃。


中國在漢朝時已懂得利用大豆與小米、小麥輪作(1),維持土壤的肥力;同樣的概念,在歐洲大約一千年後才出現。但是,不論是埃及、中國、或是歐洲,對於為何豆科植物可以提升土壤的肥力這件事,都是知其然而不知其所以然。

這個謎題,直到十九世紀末才被解開。1888年,德國的農業化學家Hermann Hellriegel(下圖)與 Hermann Wilfarth發現根瘤可以將空氣中的氮(nitrogen)轉變為氨(ammonia)。在同一年,根瘤菌也被荷蘭的Martinus W. Beijerinck(下圖)發現了(2)。

雖然在過去根瘤菌曾經一度被誤會為真菌(也真的有真菌與植物共生,不過共生的方式與根瘤菌不同),當時Beijerinck將根瘤菌命名為Bacillus radicicola,後來才被重新分類到Rhizobium這一屬。

從那時候開始,根瘤菌就成為研究者的課題之一。豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum)的基因體已經在2006年定序完成(如下圖),除了它本身的染色體(右上)以外,根瘤菌還有六個質體,其中與植物共生相關的nod(根瘤形成,nodulation of the host plant)以及nitfix(固氮),都位於第三大的質體pRL10上。

根瘤菌與植物之間的互動是相當複雜的。根瘤菌原本是土壤中自由生活的格蘭氏陰性菌,植物在缺氮時,根部會分泌甜菜鹼(betaine)、類黃酮(flavonoid)與異黃酮(isoflavonoid)等物質來吸引根瘤菌;而根瘤菌受到吸引後,會分泌由糖與脂肪酸構成的Nod factor(如下圖),作用在植物的根毛上,使自己更容易附著。

接著就開始根瘤的形成。目前知道,究竟一棵植物能夠形成多少根瘤,其實是經過精密的調節機制的,可能也與細胞分裂素(cytokinin)有關(3)。

至於為什麼要形成根瘤呢?其實是因為大氣中的氮是非常非常穩定的三鍵結構,要打破一分子的氮需要16個ATP;在這麼高的能量需求下,根瘤菌中的固氮酵素(nitroge…

好大的豆薯!豆薯是什麼?

這兩天有個新聞,在台東東河的農民挖出了一顆22公斤的豆薯。

豆薯是什麼呢?豆薯又名涼薯,學名是Pachyrhizus erosus,雖然叫做薯,但是跟茄科的馬鈴薯(Solanum tuberosum)以及旋花科的蕃薯(Ipomoea batatas)相差很多;反正華人幾乎把所有長在地下的都叫做「薯」,筆者目前唯一想到的例外大概是芋頭(Colocasia esculenta)。

豆薯是豆科一年生或多年生藤本植物,可食的部分是它的塊根,生食、熟食都好,大約是因為可以生吃,所以才得了個「涼薯」的名稱。

雖然豆薯的塊根可以食用,但是它的種子與莖葉中含有魚藤酮(rotenone)。

魚藤酮會阻斷電子傳遞鏈,使細胞呼吸作用不能進行,是毒性相當高的化學物質;亞馬遜印地安人會用它來毒魚,有些臺灣的漁民也會。所以,豆薯除了塊根以外,其他的部分可吃不得喔!

參考文獻:

Voet. 2013. Principles of Biochemistry. 4th ed.
Wikipedia. 豆薯

「天生牌」馬鈴薯(Innate Potatoes)只是不會擦傷嗎?

最近有一則新聞提到,由J. R.辛普勞公司(J. R. Simplot Company)生產的基改馬鈴薯--「天生牌」即將問世。這種馬鈴薯到底跟一般馬鈴薯有何不同呢?

新聞上只有提到這種馬鈴薯的『丙烯醯胺(acrylamide)比原本品種少70%。丙烯醯胺是一種化學物質,可在高溫烹煮馬鈴薯下產出。』

事實上,丙烯醯胺是一種可能的致癌物,美國國家標準的允許暴露量(以每日工作八小時計算)為每立方公尺0.03毫克(0.03mg/m3)。不過,究竟食入丙烯醯胺是否真的會致癌,到2014年還沒有定論。筆者在讀書的時候,那時分析蛋白質樣品都還要自己製作蛋白質膠,就常常使用丙烯醯胺來製作聚丙烯醯胺凝膠,當時指導教授都諄諄告誡丙烯醯胺要小心操作,任何廢液都要小心處理。

馬鈴薯裡面怎麼會有丙烯醯胺呢?原來是因為馬鈴薯裡面的天冬酰胺(asparagine)在高溫烹煮(烤、炸)時會與還原糖發生反應,產生丙烯醯胺。




而「天生牌」馬鈴薯以基因沈默(gene silencing)技術,使馬鈴薯裡面的天冬酰胺與還原糖的量都降低,這麼一來在高溫烹煮時所產生的丙烯醯胺就少得多了。天冬酰胺是構成我們的蛋白質的20種氨基酸之一,讓它變少雖然可以降低丙烯醯胺的生成,但是否會影響到馬鈴薯的營養價值呢?或許不要高溫烹煮是更好的解決方式?

除此之外,「天生牌」馬鈴薯也以干擾RNA技術(RNAi)去掉了馬鈴薯的多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO),使得這些馬鈴薯不易因擦傷而出現「黑青」。多酚氧化酶也跟蘋果變黃有關。

目前,「天生牌」馬鈴薯包含了以下三種品系:Ranger Russet、Russet Burbank與Atlantic。其中Russet Burbank相當常使用於烤與炸,麥當勞的薯條就是以它製成。

參考文獻:

Britt E. Erickson. 2015/3/24. FDA Approves Genetically Modified Apple And Potato. C&EN.

不會變黃的蘋果:北極牌蘋果(Arctic Apples)即將上市

在大家都有看過蘋果變黃吧!咬過的、切開的蘋果,過一陣子切口就變黃了,是怎麼回事呢?

蘋果變黃的現象稱為「褐變」(browning),是因為蘋果中的多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)與蘋果的酚醛類化合物(phenolics)進行反應造成,並不是因為鐵質氧化的緣故。由於平常多酚氧化酶與酚醛類化合物不存在於同一個位置,因此沒有受傷的蘋果不會變黃。

當蘋果受傷後,多酚氧化酶便可以接觸到這些酚醛類化合物,於是氧化反應發生,蘋果就變黃了。

而泡鹽水為什麼可以抑制褐變呢?因為鹽水中的氧氣少於純水,因此可以延緩多酚氧化酶的作用,達成延緩蘋果變黃的時間;除此之外,泡糖水、醋、亞硫酸鹽、檸檬酸、蘋果酸、維他命C都可以抑制多酚氧化酶,或只是單純將蘋果用保鮮膜包起來(氧化反應需要氧氣),都可以抑制多酚氧化酶。 

在蘋果內,總共有四個基因控制多酚氧化酶的產生。由於酚醛類化合物被認為有益健康,也就是說當蘋果變黃後,營養含量也就降低囉!

位於加拿大的歐卡納根專業水果公司(Okanagan Specialty Fruits)公司,使用「基因沈默」技術(gene silencing )將多酚氧化酶的表現量降低。降低的結果就是所產生的蘋果放很久都不會變黃喔!


目前所改造的頭兩個品種為澳洲青蘋(Granny Smith)與金冠蘋果(Golden Delicious),而北極牌蘋果已經得到加拿大政府核准,即將於2016年上市;美國政府也已經核准了。

參考文獻:

Arctic Apples. How’d we do that?
科技大觀園.蘋果為什麼切開後再空氣中會慢慢變色?

劉展冏等。2013。食品化學(二版)。華格那企業。

爆米花為什麼會爆?

吃過爆米花嗎?爆過嗎?有沒有想過為什麼爆米花會爆?有沒有試過把平常吃的玉米拿來爆爆看呢?

如果您試過,應該會知道平常我們吃的玉米是爆不起來的。要特殊品種的玉米才能爆出爆米花來。

這種特殊的品種(Zea mays var. everta)的玉米粒含有大量的硬質澱粉,只有胚的周圍有軟質澱粉;由於軟質澱粉的含水量較高,在加熱時水分急速膨脹,但外側的硬質澱粉緊緊地將水氣包覆在內,造成壓力鍋效應,當水氣膨脹到臨界點時,玉米就爆了!

猜猜看爆米花什麼時候開始有的?事實上,考古證據顯示,很可能有玉米時就已經有爆米花了。當哥倫布在1492年到達美洲時,他可能已經看過也吃過爆米花了。

為什麼這麼說呢?因為阿茲特克人稱呼爆米花為mumuchitl,因為玉米在中南美洲是神聖的穀物,爆開後又放出潔白如雪的內在,所以他們把爆米花拿來祭神。1560年代,貝納迪諾‧德‧薩阿貢神父(Father Bernardino de Sahagun)便記載了阿茲特克人拿爆米花來祭神的一幕「將爆米花猶如冰雹一般的灑落」。

最重大的發現是在1948年,兩位哈佛大學的學生在新墨西哥州的蝙蝠洞(Bat Cave)挖出了766個標本:包括去殼的玉米棒子、玉米粒、葉鞘以及玉米的雌花。他們越往下挖掘,玉米棒子越小。其中,有六顆已經爆開或半爆開的爆米花顆粒。他們的老師Paul Mangelsdorf,當時是哈佛的植物博物館的館長,還丟了一兩顆玉米到油鍋裡,試試看是不是還能爆;而這些玉米已經在洞穴裡超過兩千年了!後來提到這個發現時,Mangelsdorf開玩笑地說,很少有研究計畫投資如此之少(他借了150美金給其中一位學生),但收穫卻如此豐厚的。

雖然玉米應該是在紀元前5000-6000年在中美洲馴化,但真正重大的基因變異應該是發生在紀元前2300年左右。幾個關鍵區域的突變,使得玉米產生更大的果實,種子也變得柔軟。爆米花的品種,可能從一開始種植玉米時便已經存在了。

不過,雖然印地安人吃它、用它來祭神,但一開始美國人並不怎麼喜愛爆米花。真正的改變發生在二次世界大戰時,因為糖果都送到前線去了,在美國本土的居民因為沒有糖果可吃,開始把爆米花拿來當零嘴。

後來,Orville Redenbacher在1960年代將爆米花的品種改良,冠上「美食」爆米花的稱呼後,爆米花受歡迎的程度就不斷的上昇。現在爆米花在美國每年有至少二十億美金的…

托勒密王朝(Ptolemaic Egypt)的滅亡與小麥

埃及的托勒密王朝(Ptolemaic Egypt,332–30 BC)最後一個法老就是「埃及豔后」(Cleopatra VII Philopator),她努力的維持衰落的埃及在獨立狀態,但最後還是在公元前30年亡於羅馬。

羅馬為何會對埃及有興趣?並不是因為垂涎埃及豔后的美色,而是因為小麥。羅馬的人口不斷增加,而國內的土地因耕作而鹽化,羅馬人又不喜歡吃大麥,甚至用「吃大麥」當作處罰的方式,到最後只能從外面(西西里島、薩丁尼亞島、北非、埃及與西班牙)進口糧食,因此羅馬人便想,為何不直接把他們打下來就好呢?

當然,凱撒(Julius Caesar)與安東尼(Mark Anthony)都曾經是她的入幕之賓,當凱撒在埃及時,當時的法老托勒密(Ptolemy)因為暗殺了凱撒的政敵Pompey(同時也是凱撒的女婿)而得罪了凱撒,埃及豔后請手下把自己偷渡到凱撒的行宮裡,主動引誘凱撒,後來為凱撒生了一個兒子「托勒密‧凱撒」(當時埃及豔后21歲,凱撒52歲,名副其實的老牛吃嫩草)。

不過,後來凱撒並未立這個小朋友為自己的繼承人,反而立了自己的姪子屋大維(Octavius,奧古斯都大帝Augustus)。

後來安東尼也跟埃及豔后生了三個小孩,老大與老二是雙胞胎。


據說到最後為何為亡於屋大維之手呢,是因為當時埃及豔后已老,引不起屋大維的興趣了。不過正式的記載則是她以讓眼鏡蛇咬自己的方法來結束自己的生命。

參考文獻:

Wikipedia. Cleopetra.

比爾‧勞斯。2014。改變歷史的50種植物。積木出版。