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米的顏色

您知道野生稻(Oryza rufipogon)其實是結紅米嗎?但是栽培稻(Oryza sativa)的米粒是白色的,這是因為栽培稻中的一個Rc basic helix-loop-helix (bHLH)基因有缺損,造成原花青素(proanthocyanidins)無法累積造成的。


至於黑米則是花青素(anthocyanin)累積的產物。黑米的起源已不可考,但在亞洲,黑米的食用以及育種也已經是相當久遠的一件事了。

最近,日本的研究團隊發現,原來黑米的產生是因為Kala4 bHLH基因過量表現造成。這個基因為什麼會過量表現呢?因為在它的啟動子(promoter)區域發生重組,造成它的表現量大大上昇,而且在原來不會表現的地方也表現了。

進一步的分析顯示,黑米的基因應該是從熱帶亞洲稻(tropical japonica)開始出現的,後來透過雜交與育種,被帶進去亞洲秈稻(O. sativa subsp. indica)中。

由於民間相信紅米與黑米營養豐富,是好的補品;筆者推測應該是因為這樣,使得黑米的基因被帶到栽培稻中吧!

不過,因為花青素可溶於水,所以洗黑米與紅米的時候,水會變成黑色或紅色...這可不是黑心米唷!當然,找可靠的廠商採購黑米與紅米,也可以避免攝食不必要的食品添加物,這也很重要啦!

參考文獻:

Takeshi Izawa et. al., 2015. The Birth of a Black Rice Gene and Its Local Spreadby Introgression. Plant Cell.

葉綠體網絡幫助植物抵抗外敵

就如粒線體(mitocondria)一樣,植物細胞中的葉綠體(chloroplast)也並非是一顆顆互不相連的。早在1944年便已經發現,葉綠體之間存在著稱為基質絲(stromules)的構造。過去觀察到基質絲在植物的根部與真菌共生時、澱粉粒形成時、以及生物或非生物性的壓力出現時都會產生,但究竟基質絲的功能為何?科學家們曾經發現植物質體(plastids,包括葉綠體等所有植物的半自律胞器的總稱)之間似乎可以透過基質絲進行物質交換,但這被認為並非基質絲的主要功能。

最近,加大戴維斯分校(University of California,Davis)的研究團隊發現,原來葉綠體的基質絲,在植物細胞被病菌或病毒入侵時,可以通風報信,將自己產生的過氧化氫等前凋亡信號(pro-PCD signal)送到細胞核,而包括過氧化氫(H2O2)與水楊酸(salicylic acid,SA),都會引發葉綠體產生更多的基質絲。

當植物受到病原體(病菌/病毒)入侵時,通常會產生所謂的HR反應(Hypersensitive response)。HR反應指得是在病灶周圍的細胞全部死亡的現象,如此一來,由於病原體無法感染死亡的細胞,也就無法繼續感染更多的植物組織(楚留香說:死人是不會說話的。筆者曰:死細胞是無法被感染的。)。HR反應中的細胞死亡,類似於動物細胞中的細胞凋亡,但在植物中的細胞凋亡稱為PCD(programmed cell death),且並非如動物由粒線體啟動,而是由葉綠體啟動的。

植物的葉綠體在病原入侵時,會產生包括過氧化氫、水楊酸、一氧化氮以及超氧化物(O2-)。除了葉綠體以外,植物的細胞膜也會產生自由基(過氧化氫與超氧化物)。不過,葉綠體在植物的PCD中似乎是擔任了主要的角色。

因此,研究團隊對於葉綠體的基質絲,究竟是否在植物的HR反應中擔任一角產生了興趣。於是,他們將病菌或病毒的蛋白在植物細胞中表現,發現不論是病菌或病毒的蛋白,都可以引發基質絲的產生。

由於這些病原體的蛋白質會引發植物細胞產生前凋亡信號,於是研究團隊進一步測試,在沒有這些蛋白時,若只是加入過氧化氫或水楊酸時,是否會引發基質絲的產生?結果是,只要加入過氧化氫或水楊酸,葉綠體們就會產生基質絲。

顯微鏡下的觀察發現,在病原體蛋白或前凋亡信號存在時,葉綠體所產生的大量的基質絲圍繞著細胞核;甚至可以觀察到葉綠體團團…

殺蟲劑與糖尿病的關連

糖尿病的發生,近年來被認為是遺傳和環境因素都有影響。新的證據表明,包括殺蟲劑等環境污染物,可能在糖尿病的發病機制中擔任重要的角色。

由希臘與英國倫敦帝國學院的科學家們所組成的研究團隊,在今年的歐洲糖尿病研究協會(EASD,European Association for the Study of Diabetes)年會上,提出了一項薈萃分析。這個分析涵蓋了21筆研究報告。研究團隊發現,接觸殺蟲劑會提升患糖尿病的風險達61%,而且風險程度依不同類型的農藥而有不同。

在這項研究中,研究人員選取的21筆研究,總共牽涉了66,714人,包括5,066個病例以及61,648個控制組。

研究中所牽涉到的農藥包括氯丹(chlordane)、oxylchlordane、反式九氯(trans-nonachlor)、DDT、地特靈(DDE dieldrin)、七氯(heptachlor)和六氯苯(HCB)。幾乎在所有的研究分析中,農藥暴露都是經由血液或尿液生物標記分析(目前公認最精確的方法)來確認。

研究人員發現,農藥的暴露造成罹患任一類型糖尿病的風險增加了61%。當研究人員把範圍縮小到第2型糖尿病時(涵蓋了12筆研究),接觸農藥的風險增加為64%。

所以,只要接觸了上述的任何一種農藥,罹患任一類型的糖尿病的風險都提升了。過去以老鼠為實驗模型的研究也發現,懷孕時暴露於DDT,未來子代罹患代謝症候群的可能性會上昇;這項新的研究更進一步地將殺蟲劑對人類糖尿病發生的影響突顯出來。

參考文獻:

2015/9/15. Analysis of 21 studies shows exposure to pesticides is associated with increased risk of developing diabetes. Science Daily.

咖啡讓你失眠是因為影響了你的生物時鐘

晚餐後,來杯咖啡如何?

筆者不知道多少人喜歡餐後來杯咖啡,但它可以讓筆者整夜在枕上徘徊!所以,筆者在下午兩點後就不敢喝咖啡了。但是,有多少人知道,其實傍晚的一杯咖啡,不僅會影響睡眠,也會重新設定人體的生物時鐘。

在「科學轉譯醫學」(Science Translational Medicine)期刊中的一篇研究報告指出,在睡前3小時接受相當於一杯濃縮咖啡的劑量的咖啡因,平均可造成生物時鐘往後撥40分鐘的效果。

在實驗中,五名志願者在他們的正常就寢時間之前幾個小時,服用咖啡因藥片或安慰劑藥片,然後暴露在昏暗或明亮燈光下,來觀察咖啡因的效果。由於受試者只有五人,因此研究團隊讓每個受試者都接受各組不同條件的測試,使他們可以作為自己的對照組。

結果發現,咖啡因的效果大約等於置身於明亮的燈光下的一半強度。研究團隊同時也發現,以人體細胞株來接觸咖啡因,也可以造成生物時鐘延長的效果。

不過,既然咖啡因可以調整生物時鐘,這也意味著在長途旅行後,若能抓對時機喝咖啡,可以幫助人們更快地調整時差。所以,對於那些喝咖啡會失眠的人來說,或許只有長途飛行後才能在晚餐後「來一杯」吧。

 參考文獻:

 Gretchen Vogel. 2015/9/16. Coffee disrupts the body’s internal clock. Science Now.

野生的玉米如何變好吃

農作物的演化,一直都是很好的研究題目。由於人為的選擇,使得農作物在短短數百年、千年的時間裡由不起眼、小小變成又大又好吃、令人垂涎欲滴的果實。

過去的考古證據顯示,玉米(Zea mays)約在九千年前於墨西哥的巴爾薩斯谷(Balsas Valley)馴化,它的祖先是蜀黍(大芻草,teosinte,下圖最上方)。由於蜀黍與玉米不論是植物型態以及果實大小都相差極大,過去曾經對於到底蜀黍是否真的是玉米的祖先有許多爭議。不過,分子生物技術的進步,使得相關的爭議已經成為過去式了。

過去數十年對玉米與蜀黍的研究已經發現,決定他們的型態如此不同的關鍵,共有六個區域。其中兩個位於第一號染色體上,其它四個分別位於二號、三號、四號、五號染色體(1)。有些基因影響到玉米植株的型態,有些則影響玉米的果實。

位於第四號染色體上的區域,便是影響玉米果實的基因所在。玉米的果實大、種子柔軟;而蜀黍的果實不但小,種子外面還有一層硬殼。究竟蜀黍是怎麼變成好吃的玉米呢?

威斯康辛大學的研究團隊發現,讓蜀黍的硬殼消失的關鍵,竟然就僅僅是一個基因上面的一個氨基酸的改變(2)!

這個基因稱為「蜀黍穎結構基因1」tga1teosinte glume architecture1)。由於它位於第十八個鹼基的序列從G(鳥糞嘌呤,guanine)變為C(胞嘧啶,cytosine),使得玉米的tga1的第六號氨基酸由原來蜀黍的賴氨酸(Lys,lysine)變為天冬酰胺(Asn,Asparagine)。

就只是這麼一個氨基酸的變化,使得玉米的TGA1蛋白,從單純辨認DNA上面的GTAC序列的啟動子結合蛋白(promoter-binding protein),成為抑制基因表現的阻抑蛋白(repressor)。成為阻抑蛋白的玉米TGA1,不只是跟蜀黍TGA1一樣,會辨認DNA上面的GTAC序列,還會兩兩結合形成雙體(dimer),抑制相關基因的表現,使得種子變軟、側枝減少、支持根增生降低(prop roots)。

不過,研究團隊認為,TGA1的突變主要的影響發生在玉米種子上。為什麼會這樣認為呢?因為過去在其他tga1基因發生缺失的植物中,也並未觀察到除了果實型態以外的性狀;因此研究團隊認為TGA1的突變,主要造成種子不再被一層硬殼包覆;這層硬殼轉而在玉米的穗軸重新部署,形成軸心。至於其它的性狀(側枝的產生以及支持根增生減少)…

草地夜蛾(Spodoptera frugiperda)可不是不衛生的蟲喔!

草地夜蛾(Spodoptera frugiperda)的幼蟲會啃食玉米的葉片,啃完以後還會把便便拉在剛剛用餐的地方。在我們看來,這就像吃完飯以後在餐桌上大便一樣的不衛生!但是這個行為卻引起了科學家的注意:為什麼牠要這麼做呢?

為什麼這件事值得注意?因為過去的研究發現,毛毛蟲的唾液以及植物葉片傷口的分泌物綜合起來,會刺激植物產生稱為「誘導子」(elicitor)的物質,而誘導子會引發植物分泌茉莉酸(JA,jasmonic acid),接著茉莉酸會使植物產生一些物質,而這些物質會使毛毛蟲覺得植物嚐起來很難吃。甚至,有些玉米會因此而產生一些揮發性物質。這些揮發性物質的構造類似於寄生蜂的費洛蒙,可以將寄生蜂引來之後...幫植物殺死這該死的毛毛蟲(誰說植物沒有報復心?)。

因此,照理來說,毛毛蟲應該要努力避免在植物的傷口上留下什麼吧!那麼,為什麼草地夜蛾要在剛剛吃過的地方上廁所呢?

因此,賓州州立大學(Pennsylvania State University)的研究團隊,收集了草地夜蛾的便便並萃取後,把便便萃取物噴在剛剛被啃咬過的玉米葉片上。

結果很有意思。研究團隊發現,當傷口接觸到便便萃取物以後,玉米葉片便停止產生茉莉酸。取而代之的反應是,在24小時後,另一種化合物,水楊酸(SA,salicylic acid)產生了。


水楊酸與茉莉酸這兩種化合物在植物中不會同時產生。當植物傷口接觸到便便萃取物後,茉莉酸的產生就會急速下降,水楊酸則開始產出。而且,接觸越多的便便萃取物,這個反應越明顯。

與茉莉酸不同的是,水楊酸在植物的效用,主要在於抑制病原體(細菌與真菌)的繁殖。研究團隊發現,便便萃取物可以抑制玉米大斑病(Southern corn leaf blight,由格孢腔菌目Pleosporales的真菌引起)的發生。

當然,對草地夜蛾來說,由於便便裡面的物質會抑制茉莉酸的產生,因此玉米的葉片不會產生噁心的味道;於是牠便可以開懷大嚼,就可以很快的變胖又變高了!但是對於研究這個現象的團隊來說,他們比較感興趣的是,如果能把便便萃取物中的關鍵物質找出來,或許就可以開發抑制格孢腔菌屬的生物製劑?只是不知道噴洒在完整的葉片上是否有相同的效果呢?筆者從論文目前的結果看來,噴洒在完整的葉片上似乎只有一點點抗真菌的效果;所以這便便萃取物,似乎也沒有這麼好用吧!

參考文獻:

Luthe D.S…

三萬兩千年前的燕麥粥(oatmeal)?

我們的老祖宗可能在還沒學會種田以前,就懂得烹調燕麥粥了。最近在義大利東南部的一個名為Grotta Paglicci的洞穴中,找到了類似杵與臼的工具,而在杵與臼上,驗出了燕麥片。

這個洞穴裡,還發現了壁畫、陵墓以及其他石器時代的工具。

進一步的分析發現,這些燕麥是烤過的;代表當時的狩獵/採集族群已經懂得,烤過的燕麥片比生的好吃。

雖然沒有找到任何證據顯示,老祖宗們有在烤完磨碎燕麥後進行加水烹調的步驟,不過,就如作者說的,既然都已經學會烤了,加水烹調應該也不難吧!

不過,雖然這個證據顯示人類很早就開始吃燕麥,但是真正開始種燕麥,據信應該是在神聖羅馬帝國時期的後半段。當時農耕技術雖然已經進步,但歐洲的冬天有時還是會冷到連小麥都無法過冬;因此耐冷的大麥、燕麥與黑麥就開始大量的被種植,做為一種過冬的糧食。

燕麥後來成了馬的飼料,當然還是有些人早餐會吃燕麥粥。

參考文獻:

Marta Mariotti Lippi et. al., 2015. Multistep food plant processing at Grotta Paglicci (Southern Italy) around 32,600 cal B.P.. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi: 10.1073/pnas.1505213112

老葉的植物王國。黑麥(rye)、燕麥(oat)與神聖羅馬帝國

玫瑰的香氣

茱麗葉曾說:「玫瑰不叫做玫瑰,它還是一樣的香。」(That which we call a rose by any other name would smell as sweet;)。園藝玫瑰(Rosa x hybrida),正式的名稱是「雜交茶香玫瑰」 (Hybrid Tea Rose),從1867年第一場在法國里昂舉辦的玫瑰競賽以後,開始出現有系統的育種。到今天,這大約一百五十年的歲月裡,人們致力於培育更美、體格更強健的玫瑰,往往造成新種的玫瑰雖然花色美、花朵大,但是卻不夠香。過去育種的經驗發現,玫瑰的香氣往往會使花朵較脆弱、較易萎凋,但玫瑰的香氣與美貌,是否真的如魚與熊掌難以兼得呢?

過去對玫瑰的研究已經知道,玫瑰的香氣大概可以分成兩大類:典型玫瑰香(甜香)與茶香玫瑰香。典型玫瑰香主要由單萜醇類(monoterpene alcohols)與2-苯乙醇(2-phenylethanol)組成;茶香玫瑰香則是由酚醛類化合物(phenolic compound)組成。雖然負責合成2-苯乙醇以及倍半萜(sesquiterpenes)類化合物的酵素已經發現,但究竟單萜醇類如何合成,還是不清楚。

最近,來自法國的研究團隊,為了要了解組成玫瑰香氣的單萜醇類如何合成,他們找了Papa Meilland與Rouge Meilland兩品系紅玫瑰。Papa Meilland玫瑰由歷史最悠久的法國玫昂公司(Meilland International)培育出來,在1963年正式命名,在1962與1974年都得過獎,並在1988年進入玫瑰名人館(Rose Hall of Fame),它有典型玫瑰甜甜的香氣。相對的,Rouge Meilland只有極淡的香氣。

研究團隊在進行基因表現的分析比較後,發現了91個基因在Papa Meilland(簡稱PM)中表現量明顯較高,而其中有一個水解酶(hydrolase)命名為RhNUDX1基因,它在PM與Rouge Meilland(簡稱RM)之間的表現量相差最大。後續研究其他10個品系的玫瑰都發現,RhNUDX1的表現量與單萜醇類以及倍半萜類的存在與否呈現正相關性,而且在盛開的玫瑰中表現量最高。

深入研究發現,RhNUDX1在花瓣中表現量最高,而雄蕊、花萼以及嫩葉中的表現量則很低或完全沒有。在花瓣中的表現,隨著花朵的發育,當花香最濃郁時,表現量…

紅豆飯(red beans and rice)

筆者在杜蘭大學(Tulane University) 讀書時,大學旁邊的「慈善醫院」(Charity Hospital)的餐廳週一固定有的是紅豆飯(red bean and rice),週五則是秋葵濃湯(Gumbo)。

紅豆飯裡面通常都會有切塊的臘腸(sausage),配上米飯或麵包。在地的朋友告訴我,週一吃紅豆飯,是紐奧良(New Orelans)的傳統。當時,對於美國人也吃飯覺得很新奇;最近讀書才發現,原來阿肯色州、德州、路易斯安納州,從1880年就開始種稻。而阿肯色州更號稱是美國的米鄉(rice basket),他們的州歌也有:「這裡的稻田種滿。」(There the rice fields are full.)這樣的句子。

也因為這樣,所以阿肯色州、路易斯安納州、德州以及南卡羅萊納州(南卡是美國第一個種稻的地方,可能從1685年就開始了)都有稻米的慶典。其中阿肯色州的最是盛大,從1976年開始還會選出稻米女王(Miss Arkansas Rice Queen)。同時也會舉辦烹飪比賽,邀請名廚來一展身手。

紅豆飯其實源自於非洲的hoppin' John。hoppin' John通常在新年才吃,以黑眼豆(black-eyed peas,豇豆的一種)、米、洋蔥、培根(或豬背fatback、豬腳、鄉村臘腸)一起烹調而成。紅豆飯通常在洗衣日(週一)時烹調,把前一天晚餐桌上剩下來的豬骨頭與紅豆、蔬菜、火腿或臘腸一起慢燉,然後跟飯一起吃。由於通常週末大家都很忙、家裡人很多,主婦忙裡忙外,週一接著清洗週末的衣物、打掃等等,煮個紅豆飯比較省事。

已故的爵士樂手路易‧阿姆斯壯(Louis Armstrong)最愛的就是紅豆飯。他甚至在書信的結尾以「你的紅豆飯」(Red beans and ricely yours)作結尾。

參考資料:

Renee Marton, 2014. Rice: a global history. Reaktion Books. ISBN: 9781780233505.