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馬雅人使每株木瓜都能結果

小時候常聽長輩說,木瓜(Carica papaya)有公有母,公的木瓜不會結果,所以只要砍到剩一株就好。那時候覺得真有意思,原來植物跟人一樣有性別。

長大以後卻發現,好像每株木瓜都能結果?那麼小時候長輩說的公母木瓜去哪裡了?筆者上網找資料,得到的結果是:木瓜的確有公母,不過栽培種的木瓜卻沒有公的,只有雌雄同體(hermaphrodite,約佔三分之二)與母的;野生的木瓜大約公母各半。

那麼,究竟栽培種的雌雄同體木瓜是怎麼來的?過去的研究發現,木瓜的性別確認,說像人也不像;怎麼說呢?原來木瓜的性別也是由Y染色體決定(跟人很像),但是跟人不像的點是,人的Y染色體比X小,但是木瓜的Y染色體比X長(1)。

那麼,雌雄同體的木瓜呢?雌雄同體木瓜的Y染色體被稱為Yh染色體,除掉一段有八千多個鹼基對(base-pair)的反轉位子(Ty3-gypsy retrotransposon)之外,Y染色體與Yh染色體在性別決定區域(在Y染色體稱為male-specific region,MSY 或是在Yh染色體稱為 hermaphrodite-specific region,HSY)非常相似(差距在0.4%左右)(2)。後來也發現,雌雄同體的木瓜之所以不會產生雄樹是因為,Y染色體顯然少了一些重要的基因,造成YY基因型(不論是YY、YYh或YhYh)的木瓜胚胎大約在授粉後25-50天就停止發育了。

過去有些研究認為,木瓜的Y以及Yh染色體約在七萬三千年前演化出來,因此認定雌雄同體的木瓜是自然演化的結果;最近一個跨國的研究發現,其實木瓜的Yh染色體大約在4000年前才出現在中美洲,大約與馬雅文明的興起同時。

為什麼他們會導出跟以前的人如此不同的結論呢?其中之一是,研究團隊在MSY與HSY裡面發現了反轉位子。過去的研究都將反轉位子列入比對,造成相似度大幅下降。另一個原因則是,研究團隊找了36個品系(其中12個為商業的雌雄同體品系,另外24個為野生木瓜的雄樹)來進行定序與比對。過去研究的結論,只根據一筆資料的定序結果。

分析野生木瓜的雄樹也幫助研究團隊發現,現代木瓜應該是源自於中美洲哥斯大黎加的北太平洋岸區。野生木瓜的Y染色體,依據MSY區域可分為三型,其中與Yh染色體最像的就是位於哥斯大黎加北太平洋岸區的MSY3。

台灣的水果實在是又多又好,因此我們不太覺得木瓜有什麼特別的地方。事實上,木…

降低水田的甲烷釋放

全球暖化有20%是甲烷(methane,CH4)造成的,而這些甲烷主要是畜牧以及農業產生。農業行為中產出最多甲烷的就是種稻了。

種稻怎麼會產生甲烷呢?原來水田是個厭氧的環境,在厭氧環境生長的細菌會產生甲烷,貢獻了80%-90%水田的甲烷產出。這些甲烷大部分由植物吸收後釋放到大氣中,製造全球暖化。

但是米不能不吃,要怎麼辦呢?科學家們發現,如果把水田的水放乾一段時間,可以提升稻子的產量、降低甲烷的釋放;但是放水的時機如果沒有抓好,產量反而減少,而且對於高低不平的水田這個方法也不實際。

最好的辦法是能夠改良水稻的品種。過去曾經發現,水田裡的細菌一部份的糧食是來自於稻子的根部合成的糖以及其他的化合物;有些品系的稻子可以合成比較多的米,而這些品系的稻子在種植時,水田裡的甲烷釋放的量相對比較少。

最近瑞典農業大學的研究團隊,將大麥(barley)的SUSIBA2基因放進稻米中。SUSIBA2是個轉錄因子(transcription factor),使稻子合成更多的澱粉,根部便會分泌少一點醣類以及其他的化合物。產生的新種稻米在開花前釋放的甲烷只有原品系的5%-10%左右,開花以後,因為合成穀粒的緣故,水田釋放的甲烷降到原品系的0.3%。

究竟減少水田的甲烷釋放,是否是因為甲烷菌(methanogen)減少以及澱粉合成上昇呢?研究團隊將稻子以420奈米波長的光照射,以觀察由甲烷菌特有的F420輔因子所放出的螢光。結果發現,SUSIBA2基改水稻所發出的螢光比野生種少很多。定量聚合酶鏈反應(qPCR)也發現,甲烷菌在基改水稻中的量比野生種少了20%-30%。而澱粉在SUSIBA2基改水稻的穀粒中佔乾重的86.9%,比野生種多了10.2%;研究團隊觀察了幾個與糖代謝相關的基因,發現這些基因在SUSIBA2基改水稻中的莖與種子的表現量都上昇了。

因此,研究團隊認為,他們經過提高水稻中特定轉錄因子的表現,使水稻將較多的光合作用產物用來合成澱粉;相對的,它的根分泌較少的化學物質,而這些物質是甲烷菌所需要的。因為食物減少,所以甲烷菌在水田裡的量就變少了,於是水田釋放的甲烷量也就跟著下降了。

筆者認為這是很不錯的研究,只是不知道社會大眾對基改作物的接受度,是否會使這新種永遠停留在實驗農場中?

參考文獻:

C. Sun et. al., 2015. Expression of barley …

植物如何知道何時散放花香?

植物不會動,所以要完成終身大事就要靠媒人。對蟲媒花跟鳥媒花來說,它們更要算準了什麼時候媒人會來,趕緊佈置好花香大陣,才能順利成功。

最近,西雅圖的華盛頓大學的研究團隊,發現矮牽牛的花香調節基因。

什麼?矮牽牛會香?大概很多人的反應都跟筆者一樣。不過,矮牽牛之所以被我們認為是不會香的植物,是因為它也是「夜來香」的一種:矮牽牛的花香在半夜最強。它的香氣來自於酚醛類化合物(benzoid/phenylpropanoids,FVBP)。

研究團隊發現,主要調節矮牽牛花香釋放時間的基因是稱為LHYLate Elongated Hypocotyl)的基因。這個基因在早上表現,與另一個基因CCA1Circadian Clock Associated 1)一起抑制傍晚才表現的基因,活化早上表現的基因。

當他們把LHY基因連續表現時,所有與合成FVBP相關基因的表現量全部都下降,於是矮牽牛的香氣也大大減少了;相反的,如果把LHY基因的表現用干擾RNA給調到很低很低,這時候所有與合成FVBP相關的基因表現全部提早4-8小時,花香也改在日照結束時出現,而不是半夜了。

原來,在植物的基因體上,LHY會與稱為EE(evening elements)的DNA片段結合,來抑制ODO1Odorant1)基因的表現;然後ODO1再去調節其他FVBP合成的酵素的基因表現。於是,LHY只需要控制ODO1的表現,就可以管底下十幾個基因的表現了。傍晚時,LHY的表現下降,ODO1得以表現,然後合成FVBP相關的基因開始表現,FVBP合成⋯到半夜,花香就到達最高峰了。

研究團隊在研究這些基因的表現時,還有個有趣的發現:矮牽牛的時鐘基因(clock gene),在不同的組織有不同的表現。當他們把矮牽牛放在連續黑暗的狀況下,同樣的基因,在花瓣中還是可以維持晝夜循環,但是在葉片裡卻只撐了一天就不再循環了!

參考文獻:

Takato Imaizumi et. al., 2015.Circadian clock gene LATE ELONGATED HYPOCOTYL directly regulates the timing of floral scent emission in Petunia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi: 10.1073/pnas.14228751…

楊梅(Myrica rubra)

楊梅(Myrica rubra),又稱為樹梅,楊梅是楊梅科楊梅屬喬木植物,喜濕、耐陰寒的溫帶、亞熱帶樹種。

楊梅是老一輩清毒聖物,俗諺說「1年吃6兩樹梅」,可保身體健康,新北市八里區為主產地,栽種面積5.05公頃,但市場小、壽命短、難保存、人力採收因素,降低農友續種意願。

在台灣,主要的楊梅產區在八里,三芝、汐止、以及基隆瑪陵地區。基隆市府每年舉辦「樹梅節」,與大專院校合作研發樹梅冰淇淋、化妝品、樹梅酥等特色產品,成為一大特色。

記得已故的作家琦君,也喜愛吃楊梅,也曾有一篇有關楊梅的文章。

參考新聞連結:

八里樹梅 盼嘸農夫關愛

為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

首先,我們來看一下氣候。陶淵明隱居的地點在潯陽柴桑,也就是現在的江西省九江市星子縣。當地是北緯29.44度,在北回歸線以北,屬於濕潤型亞熱帶氣候(2),1971-2000的年平均溫度為攝氏17.03度,每年四月就不再有攝氏零度以下的低溫(3)。雖然還是比臺灣偏北(台北市是北緯25.02度),大致上還是屬於溫和的氣候,植物的種類應該也不會相差太多。即使考慮近年來全球暖化的問題,應該也不會超過攝氏一度(4)。

在亞熱帶的台灣,夏天通常並不是植物茂盛生長的時期。為什麼呢?因為世界上90%的陸生植物是C3植物,這些植物在氣溫超過攝氏30度時,會因為光呼吸作用(photorespiration)造成水分的消耗大量上昇。C3植物(如大豆)在攝氏30度時,每抓一個二氧化碳分子就要消耗833個水(5),於是植物的生長速度就開始變慢。

不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

原來玉米與甘蔗是所謂的C4植物,它們既耐熱又耐旱,跟C3植物比較起來,在攝氏30度時C4植物每抓一個二氧化碳的分子只消耗277個水(5),所以夏天的時候,它們的生長速度ㄧ點都不受影響呢!
說到這裡,讀者可能會想:什麼是C4植物?為什麼它們能夠既耐熱又耐旱呢?
所謂的C3、C4植物,指得是它們在光合作用上的不同。C3植物進行光合作用時,是由卡爾文循環(Calvin cycle)的酵素(RuBisCo,如圖二)直接抓取溶解在細胞中的二氧化碳,與核酮糖1,5-二磷酸(ribulose 1,5-bisphosphate,RuBP)進行反應;


而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


原來,C4植物多半都生活在亞熱帶或熱帶,在這些氣候區,植物進行光合作用時,會遇到一個大問題。

這個問題來自於卡爾文循環的第…

歷史,需要被真誠的看待

教宗這次的南美洲之旅,在他於九日到達玻利維亞時,他在第二屆人民運動世界大會(World Meeting of Popular Movement)上說:

"I say this to you with regret, Many grave sins were committed against the native peoples of America in the name of God. I humbly ask forgiveness, not only for the offenses of the church herself, but also for the crimes committed against the native peoples during the so-called conquest of America."(「我要謙卑的祈求原諒,不只是為了教會本身冒犯的行為,更為了在征服美洲過程中,神職人員曾犯下的過錯」)

在當時,有多少名為「拯救」的殘酷對待發生在中南美洲?

古柯,印地安人的聖樹,在當時,一開始西班牙主教們在1569年的會議中宣稱古柯是有害的。但後來在玻利維亞的波托西(Potosi)開採銀礦時,由於波托西位於海拔四千公尺的山上,礦主發現只要給印地安礦工古柯葉,工作量可以提升40-60%,且食物的需求量反而下降。

於是,教會的禁令(姑且不論這樣的禁令對當地的文化有多麼不尊重)便被無視了。礦場主人們開始提供印地安礦工古柯葉,作為薪資的一部份。只是,這樣吃的少、工作辛苦的生活,人不可能一直這樣過下去;1560-1620年間,每年大約有一萬名印地安人死在波托西。根據「拉丁美洲:被切開的血管」一書所說,光是波托西一地,三百年內就耗掉了八百萬條生命。被送到礦坑去開礦熱死的、被礦坑裡的石頭砸死的、用水銀提煉銀礦,汞中毒死的,到那裡去的印地安人,每十個就有七個回不來。

生長在台灣的我們,對於中南美洲在15世紀末到20世紀初的這段歷史,往往都只有美國觀點(白人觀點);但是,筆者之前看過的一句話「沒有人為獅子寫歷史」,歷史都是獵人寫的,我們只看到獵人如何英明神武,卻看不到獅子的眼淚。

南美洲的印地安人,其實也為了當年被奪走的土地感到忿忿不平;而臺灣的原住民們,也不斷的為了相同的問題和政府之間起衝突。所謂的殖民史,其實就是獵人的歷史…

古柯葉與古柯鹼

羅馬天主教宗方濟各,在從厄瓜多爾飛往玻利維亞的飛機上,喝了由古柯葉、洋甘菊和茴香籽沖泡的茶,避免抵達全球海拔最高的玻利維亞首都國際機場(海拔超過四千公尺)的時候,出現高山症。

看到這則新聞的人,可能會想:怎麼會喝古柯呢?其實古柯(Erythroxylum coca var. coca)可能是世界上受到最多誤解的植物了。它原產於安地斯山脈,株高2-3公尺,印加人稱為cuca。可能是印加人不若青藏高原的居民具有突變的EPAS1基因,因此對印加人來說,古柯的作用比紅景天(Rhodiola rosea)還重要。 連當地的駱馬(llama)也嚼食古柯葉。

印加的旅行者/信差,往往以「cocada」為單位來計算一天的路途。「cocada」是一口古柯葉嚼完可以行走的距離(~45分鐘),走一天的路大約是16口。


古柯樹是印地安人的聖樹(sacred plants)。古柯葉含有鈣、維生素B1,B2與B3。 印加人嚼食古柯葉並不會上癮,還可以消除疲勞、提升專注力;而且他們嚼的是嫩葉,古柯鹼量低而其他生物鹼量多。恰恰相反的,歐美的白人採取成熟的古柯葉,由其中萃取古柯鹼(cocaine),而後吸食、注射,造成上癮。目前在美國,古柯鹼是僅次於大麻最多人使用的毒品;所以大家提到古柯,似乎都覺得是壞東西,但其實它是被誤用了。

在南美,秘魯、厄瓜多以及玻利維亞是古柯樹的主要產地,生產的古柯葉,雖然很多還是運到哥倫比亞去提煉古柯鹼,但是對當地的人來說,古柯葉是不可少的生活必需品呢!

參考文獻:

Henry Hobhouse. Seeds of Change : six plants that transformed mankind. Counterpoint.

老祖宗的偏方殺死多重抗藥菌

現代醫學常常對於某些偏方不屑一顧,不過最近諾丁漢大學(University of Nottingham)的微生物學家哈里森博士(Freya Harrison)決定要來試試看記載於九世紀書中的古方,發現竟然可以殺死多重抗藥菌。

這本書,Bald's Leechbook,裡面有個用來治療睫毛毛根感染的方子。這藥方是這麼製作的:

將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中烹煮九天。(詳見本文最後的更正)

研究人員發現,要重現古方其實也不容易;雖然現在也有韭菜與大蒜,但是育種使得現代的韭菜與大蒜跟九世紀的品系有所不同;即使研究人員找到了所謂的「傳統」(heritage)品種,但他們仍擔心是否還是不一樣。

公牛膽倒是比較容易,很多化學藥劑公司都販售膽鹽;另一個問題是銅鍋。銅鍋非常貴,因此哈里森博士決定把整個配方在玻璃器品中烹煮九天,但在配方中加入一片銅同煮。

九天以後配方完成。哈里森博士說,烹煮的過程中整個實驗室充滿了大蒜的味道,讓附近的人都以為他們在實驗室裡煮東西吃;九天結束時,藥膏有個恐怖的味道。

但是味道恐怖歸恐怖,哈里森博士發現它可以殺死土壤中的細菌。更好的是,它可以治療被多重抗藥性金黃葡萄球菌感染的老鼠,效果與萬古黴素(Vancomycin)相當。

接下來的工作就是要了解為何這古方有效。2005年有另一個研究團隊嘗試過同樣的方子,但沒有任何效用。唯一的差別是他們沒有煮九天。而單獨使用任何一個成分也都沒有效果。

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

2015/10/10 更正:由於當初只有參考文獻1中的文字可供參考,而New Scientist 使用了stewing這個詞,使筆者誤以為是「將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中烹煮九天。」;本文中的研究於2015/8出版於mBio期刊(2),參考其中的方法發現,正確的製備過程是「將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中置放九天。」。特此更正。

參考文獻:

1. Clare Wilson. 2015/3/30. Anglo Saxon remedy kills hospital superbug MRSA. New Scientist.

2.Harrison et al. (2015) A 1,000-year-old antimicrobial reme…

為什麼煤炭與石油都來自於石炭紀(the Carboniferous Period)?

為什麼煤炭與石油都來自於石炭紀(3.59-2.99億年間)?
任何一段時期都有森林,也都有動物,所以如果只是單純的認為石炭紀的動物跟植物特別多,是不合理的。

在現代的森林裡,如果一棵樹死了,啄木鳥以及其他的鳥類會來挖洞。等到啄木鳥離開以後,其他小型的哺乳動物會搬進來,挖更多的洞。接著會有蜜蜂與黃蜂住進來,挖更多的洞。還會有更多的昆蟲來侵蝕樹皮,所有的這些行為都會使樹木更容易被真菌分解。真菌與昆蟲構成一個循環,加速了樹幹的分解,樹根則有細菌、真菌與節肢動物們通力合作來分解完畢。

但是在石炭紀,大部分上面提到的樹木的分解者都尚未出現。石炭紀的森林有蕨類(ferns,Filicales)、木賊(horsetails,Equisetales)、鱗木科植物(scale trees,Lepidodendrales)、石松科植物(club moss,Lycopodiopsida)等,它們已經能夠合成纖維素(cellulose)與木質素(lignin),所以才能長得那麼高大。

但是在石炭紀,昆蟲才剛剛出現。早期的昆蟲不能消化樹木的纖維素與木質素,而鳥類與哺乳類尚未出現。所以,那麼多的樹木都無法被分解,只能倒在地上、沈入水中,等時間慢慢將它們變成煤炭。

改寫自 Scott Richard Shaw. 2014. Planet of The Bugs: Evolution and the Rise of Insects.University Of Chicago Press. ISBN-13: 978-0226163611

眼珠的顏色(eye color)與酒精依賴性有關?

歷史上因為貪杯而毀了自己的比比皆是。在上圖這幅畫(The Drunkard's Progress),從左到右,由和朋友一起小酌開始,到最後變成落魄街頭的流浪漢為終點。這幅畫完成於1846年,由此可知酒精依賴性(進而成癮)的影響在歷史上早已不勝枚舉。

許多研究都發現,並不是每個人都喜歡喝酒。大部分的人可以喝酒,但不會上癮;有些人喝酒以後,從此敬謝不敏;而有些人則是一試成主顧,天天都要喝。在靈長類的研究,以及對人的研究都指向基因的相關性。

最近在佛蒙特大學(University of Vermont)的一項研究顯示,歐洲人的酒精依賴性似乎與眼睛的顏色之間呈現相關性。淺色眼珠(綠色、灰色以及中心是棕色的眼珠)的人有酒精依賴性的比例較深棕色眼珠的人的比例為高,而藍色眼珠的人有酒精依賴性的比例最高。

究竟為什麼這兩者會呈現相關性呢?筆者覺得,或許有部分與物質濫用相關的基因與眼珠的顏色在同一染色體的鄰近區域?不管是什麼,由於物質濫用(substance abuse,包括酒精成癮)應該是複雜的多基因遺傳,因此作者也特別指出,後續還需要更多的研究來找出這個關連性的意義。

參考文獻:

2015/6/30. Eye color may be linked to alcohol dependence. Science Daily.