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目前顯示的是 十二月, 2015的文章

如何消滅土裡那不受歡迎的客人

獨腳金(Striga)這一屬的植物分布於非洲、澳洲與亞洲。在亞洲,中國大陸雲南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西、福建及台灣都可以看到它。它們是寄生植物,種子躲在土裡,在農作物發芽的時候一起發芽,根部緊貼住農作物的根部吸收養分,造成農作物產量減少。

雖然獨腳金可以入藥,但它在非洲的撒哈拉以南地區造成非常嚴重的問題,大約三分之二的農地被獨腳金入侵。總計在全世界,獨腳金危害25個國家,共計影響一千萬人。

科學家們一直想要找到消滅獨腳金的方法,但由於種子躲在土裡不怕農藥,農作物不發芽它們也不會先發芽,所以一直都是很頭痛的問題。
如果能夠讓它發芽,活的植物的罩門應該比休眠的種子要多得多了。但是,為什麼這種植物會知道什麼時候農作物的種子發芽呢?原來許多植物的種子在發芽時,根部會分泌一種賀爾蒙稱為strigolactone(如上圖)。這個賀爾蒙原來是用來召喚土壤中的共生真菌(mycorrhiza)的,好讓植物寶寶們一發芽就有共生真菌在旁邊呵護;但獨腳金也學會了偵測這種賀爾蒙,讓自己在感應這種賀爾蒙之後就發芽。於是,獨腳金永遠都能夠搶先一步,佔據最好的位置來偷走農作物的養分。

這種賀爾蒙有很多種,科學家也發現,獨腳金已經懂得經由分辨不同的strigolactone組合,來了解是否現在發芽的是它最愛的宿主。

最近多倫多大學的研究團隊花了好一番功夫,找到獨腳金裡面所有的strigolactone受器(統稱為ShHTL)--竟然有十一個!這麼多個受器,不見得個個都有相同的功能吧?為了要了解它們、並找到真正要緊的ShHTL,研究團隊利用阿拉伯芥缺少HTL基因的突變株,仔細地研究了所有的這十一個ShHTL

怎麼研究呢?原來,阿拉伯芥的種子在攝氏32度時,會出現發芽率急速下降的現象。但是這個熱抑制(thermoinhibition)現象,在加入strigolactone時會被逆轉。不過,對於缺少了HTL基因的阿拉伯芥,加入strigolactone就沒有效果了。

於是研究團隊將不同的ShHTL轉入缺少HTL基因的阿拉伯芥,再利用熱發芽抑制實驗,來測試找出對strigolactone最敏感的ShHTLShHTL7)。接著,再以ShHTL7來測試不同的strigolactone,發現獨腳金最愛的strigolactone包括了5-deoxy strigol (5DS)、2'-epi-…

維生素 U (vitamin U)是什麼?

筆者最近接了一個大案子,要看很多很多書。這天看到這個詞:維生素U。

維生素U?維生素有A、C、D、E、K、B群(B1、B2、B6、B12)等,從沒聽過維生素U這種!

要是在沒有網路的年代,接著大概就得直奔圖書館去「皓首窮經」一番;幸好我們已經活在網路時代了,所以筆者只要坐在電腦前面動動手指,就發現原來維生素U是S-甲基甲硫氨酸(S-methylmethionine)。
S-甲基甲硫氨酸比甲硫氨酸多了一個甲基,

但是為什麼會被稱為維生素U呢?

原來,在1950年Garnett Cheney發現生高麗菜汁具有抗潰瘍的能力,而且可能還能用來治癒胃潰瘍。但是生高麗菜汁裡面,究竟是什麼成分具有這個功效,Cheney並沒有繼續研究下去。他給這個未知成分取了「維生素U」的名稱,而後續的一些研究發現,生高麗菜汁中的S-甲基甲硫氨酸具有保護消化道黏膜與肝臟的功效,於是S-甲基甲硫氨酸便這樣被稱為「維生素U」了。

雖然如此,不過S-甲基甲硫氨酸並不被認為是真正的維生素喔!

吃炸藥的植物

三硝基甲苯(2,4,6-trinitrotoluene,TNT),俗稱黃色火藥,在1863年由德國化學家Julius Wilbrand發明出來,原先是用作染料。雖然當時也很快就發現它會爆炸,但由於它不容易引爆,因此直到德軍發現它的好用之處之前,並沒有什麼人想要把它拿來當作炸藥。甚至在英國1875年的爆炸物法(Explosives Act 1875)中,並未列入黃色火藥呢!

在1902年,德軍發現,如果把黃色火藥裝在鋼鐵外殼內,它可以在穿入軍艦後才爆炸,不像當時主要使用的炸藥TNP(又名苦味酸,Picric acid,2,4,6-trinitrophenol)通常都在接觸到軍艦的外殼的那一刻就炸了;由此發現黃色火藥的殺傷力比較大。在這之後,德國、英國(1907年)、美國(1921年)先後開始採用黃色火藥。現在,軍隊、礦區以及工業常用它來炸開擋路的石頭。但是黃色火藥其實是有毒物質,當爆炸以後,大量的黃色火藥會隨著爆炸的力量滲入土壤,一旦進入土壤就不容易移除。

黃色火藥會對皮膚造成刺激性,接觸後皮膚會變成黃色。在一戰時期,負責處理黃色火藥的工作人員的手因經常接觸而被染成黃色,因此得到了「金絲雀」(canaries)的綽號。但後來便發現,長期接觸黃色火藥會導致貧血、肝功能不正常、脾臟腫大等;且在大鼠的試驗中被發現有致癌性,因此被列為可能的致癌物。雖然植物可以吸收黃色火藥,但是黃色火藥會使得植物根部的生長被抑制。由於軍隊與礦區廣泛的使用,黃色火藥造成的污染已受到廣泛的重視,也被美國的環境保護署(EPA)列為重點工作。

由於植物會吸收黃色火藥,有人就想到,為何不利用植物來移除被黃色火藥污染的土壤呢?雖然這個想法不錯,但是「吃」了黃色火藥的植物,它的根部生長會受到抑制,所以植物長得並不好。當然,如果能找到不被抑制的突變種,或許就真的可以用它來進行所謂的「植物修復」(phytoremediation)了--只是,這樣的植物存在嗎?

最近,英國的研究團隊,從擬南芥(阿拉伯芥,Arabidopsis thaliana)中找到了不會被黃色火藥抑制生長的突變株mdhar6

MDHAR6的基因是個負責解毒的酵素,全名是monodehydroascorbate reductase 6。擬南芥總共有五個MDHAR基因,存在的位置不大相同。不過,它們都負責將氧化的維生素C還原。

研究團隊發現,…

2015十大熱門文章

一年又快要過完了,筆者想起去年開始做「2014十大熱門文章」,好像也該來做2015年的囉?!

統計了一下點閱率,在此與大家分享!

第十名:不會變黃的蘋果:北極牌蘋果(Arctic Apples)即將上市
說真的,為什麼要取名叫做「北極牌」呢?是因為都不會變紅嗎?

第九名:葉綠體網絡幫助植物抵抗外敵
葉綠體與粒線體都會形成網路喔!不要再被課本給「騙」了!

第八名:苦味造成野生南瓜屬(Cucurbita)植物滅絕
沒想到動物採食也會影響到植物的生存與否呢!

第七名:世界上最古老的花

第六名:吃肉的植物Genlisea
如果以為吃肉的植物只有毛氈苔、捕蠅草、豬籠草,那您就錯了!

第五名:抗蟲作物的末日即將來臨?
您知道抗蟲基改現在已經都有不只一個抗蟲基因在裡面了嗎?

第四名:關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

第三名:原來我們一直在吃基改蕃薯?!
哇!我們一直都在吃「基改」蕃薯嗎?

第二名:吃到含植物生長激素的水果會性早熟?
生長激素與生長素是完全不一樣的東西,也不會有交叉作用,不要再被騙了!

第一名:爆米花為什麼會爆?
普通的玉米放進微波爐,只會得到烤焦玉米喔!

很感謝大家一年來的愛護,我們明年繼續努力囉!

光敏素(phytochrome)的故事(三)

1938年的夏天,芝加哥大學(University of Chicago)來了一個來自加州的客人。

邦納(James F. Bonner)當時年方27歲,正在加州理工學院(Caltech)擔任助理教授。芝加哥大學的植物實驗室(Hull Botanical Laboratory)主任克勞斯(Ezra Jacob Kraus)欣賞他,給他教師的職位;但是他一時之間仍無法做決定。邦納在猶他州長大、在加州理工學院讀完博士學位,蠻喜歡加州的環境;於是他申請了留職留薪,先來芝加哥大學看看。

那年夏天,邦納與哈姆納(Karl C. Hamner)開始了一系列對於光週期的研究。他們原本希望或許可以因此找到傳說中的「開花素」(florigen),但最後卻發現了光週期的關鍵在於連續黑夜的長度。


以蒼耳(cocklebur,Xanthium pensylvanicum)為實驗材料,邦納與哈姆納測試了非常多不同的光週期,解剖了許多的蒼耳,但還是沒有找到開花素。

但是,在這些光週期的試驗中,他們測試了:

一、四小時光照/八小時黑暗;
二、十六小時光照/三十二小時黑暗;
三、八小時光照/四十小時黑暗。

由於當時已知蒼耳的臨界光照時間是介於15.5到15.75小時之間(也就是黑暗的時間大約是8.5到8.25小時),實驗組一不論是光照或是黑暗時間,都小於臨界時間;而第二組則不論是是光照或是黑暗時間,都大於臨界時間,第三組則只有黑暗時間大於臨界時間。

結果是,第一組沒有花苞出現,而第二組與第三組都開花了。

進一步的實驗,讓植物接受九小時的光照與八小時的黑暗,還是沒有開花的跡象;所以邦納與哈姆納的結論就是:

只要黑暗的時間超過臨界值,植物就會開花;所以,植物在意的是連續黑暗的時間。

接著,他們決定要讓植物的「睡眠時間」被燈光打斷,看看到底需要多麼少的光照,就可以影響植物的花期?

實驗的結果是:一分鐘!這讓他們超驚訝的,原來植物是如此的敏感,只需要「一分鐘」的光照,就足以讓蒼耳不開花!

其他研究團隊聽到這個消息,也紛紛開始進行實驗。很快的,大豆也被發現相同的現象;而另一個研究團隊則將這個發現應用在菊花上,希望能讓菊花晚一點開花。

結果,雖然菊花不如蒼耳與大豆那麼敏感,但一小時的光照也可以把花期推遲二至三個月。後來的許多測試發現,有些菊花甚至要二到四小時;於是,在秋天的晚上給菊花二到四小時的光照,就成為園…

光敏素(phytochrome)的故事(二)

前面提到,對於菸草的研究,讓加納與阿拉德開始懷疑,是外界的刺激影響到菸草的花期;當時有另一種植物也引發了他們的興趣:大豆。

由Mooers在1908年發表的論文提到,不管何時種下大豆,它都在固定的日期開花;當加納試著將大豆種在冬天有暖氣的溫室裡時,他們很驚訝的發現,大豆一下子就開花了。

這代表,對於大豆的花期來說,溫度不大重要;但是冬天不只是光照的時間不夠,光的強度也變低很多。所以,到底是光的強度還是光照時間重要呢?

加納與阿拉德注意到被薄布(cheesecloth)蓋住的植物也在同時間開花--所以,這代表著可能是光照時間比較重要吧。也就是說,如果可以成功控制光照長度,應該可以調整植物的花期。

於是就開始了令人腰酸背痛的實驗。如果是在二十一世紀的現代,我們只需要定時器來控制燈的開關;可惜當時還沒有這種設備。所以,阿拉德只好蓋了個類似「狗屋」的房子作為暗房。

暗房有空調,但是沒有窗戶。植物一旦放進去了以後,拉上門,就沒有光了。

從1918年7月10日下午四點開始,阿拉德帶著一箱正在開花的北京種大豆(Peking soybean)與三盆新種菸草進去「狗屋」裡。第二天早上九點,他再把他們拿出來。就這樣,每天上午九點、下午四點,他重複著這個工作,讓植物每天只照射7小時光照。在七月的Arlington(美國農業部實驗室所在地),每天日照的時間超過14小時。每天每天,阿拉德都來搬植物兩趟,週末也不例外。

實驗的結果呢?

新種菸草終於開始開花、結子了!而大豆在不到兩週的時間,豆莢都長大、接近成熟了。相對的,擺在外面接受14小時光照的控制組,豆莢都才剛剛長出。再兩週以後(也就是實驗開始一個月),大豆的豆莢已然成熟,葉片枯黃掉落;但控制組的豆莢都還是綠的。

於是,世界上頭一遭,植物光週期的秘密被發現了。很快的,加納與阿拉德也意識到,日照週期比起降雨、溫度、土壤肥份等因素,其實是最穩定的外界刺激來源。


加納與阿拉德在1920年於「農業研究期刊」(Journal of Agricultural Research)發表了他們的研究,並第一次使用「光週期」(photoperiodism)這個字來描述生物因為晝夜長度的比例所產生的反應。他們同時也認為,光週期應該不只是影響植物,還會影響動物。這個說法,很快就在1922年在昆蟲裡發現了。1926年,鳥類學家羅文(Rowan)也發表了光週期對鳥類…

光敏素(phytochrome)的故事(一)

研究植物的人應該不會不知道光敏素!它是植物最重要的光受器,缺乏光敏素的植物,因為感光出現障礙,所以會有輕重不一的症狀。對於不了解光敏素的功能的讀者,筆者建議可先由「植物的眼睛:光敏素」這篇開始閱讀,然後可以接著看「光敏素與光合作用(一)(二)」。

至於對光敏素已經有了解的讀者,就來聽聽筆者說故事吧!故事要從1906年說起。在1906年,菸草田裡出現了一株新種的菸草。它的葉片大而寬,植株可以長到親本Maryland Narrowleaf tobacco的兩倍大。

對於菸草農夫來說,這當然是天大的好消息。可是當他們把這個新種(被命名為Maryland Mammoth tobacco)帶到北方去種植時,它怎樣也不開花!


怎麼辦呢?這時候美國農業部(USDA)就來想辦法了。當時在農業部上班的兩位科學家,加納(Wightman Wells Garner)與阿拉德(Harry Ardell Allard)用了許多方法,想要「逼」這新種菸草開花。

他們用了許多方法,包括讓它乾一陣子、或是讓它長到滿盆(pot-bound)等,但是都不能讓它開花。但是,在實驗的過程中,加納與阿拉德注意到幾件事:

(一)、砍掉莖葉的新種菸草,後來(秋冬)開花了;
(二)、在秋天播種的新種菸草,當養在溫室裡的時候,很快就開花了;
(三)、秋天播種的新種菸草,到了四月,又開始長新芽;這新芽又是整個夏天都不開花。

所以,加納與阿拉德便開始懷疑,是否這新種菸草開花與否,跟植物的年紀沒有關係,而是受到外界的某種刺激,影響到它的花期。

當時他們並不知道,有位植物生理學界的大老Georg Albrecht Klebs在海德堡也在研究影響植物開花的因素。Klebs用一種阿爾卑斯山上的多肉植物Sempervivum funkii(卷絹)作為實驗材料。

Klebs發現,當他把卷絹在四月時放在黑暗裡兩三週以後,卷絹在夏天就不開花;但是溫度、肥料等等都不能使它開花。到1912年冬天,Klebs把卷絹連續照了幾天的電燈。妙的事情發生了!隔年的夏天,卷絹提早了三週開花!

於是Klebs下了結論:春分(spring equinox)以後,日照時間變長,刺激植物開花。

整個1914到1915年,Klebs繼續做實驗,發現植物每天需要一定時間的光照才能開花;但是他發現溫度也會影響到光照的時間。他很想繼續研究,可是在1918年,他的…

油棕(oil palm)的「惡業」使它無法量產

棕櫚油約佔植物油國際貿易的65%,而且世界對於棕櫚油的需求持續上升。但是並非所有的棕櫚樹都產棕櫚油;棕櫚油是由油棕(Elaeis屬)的果實而來的,全世界只有兩種,美國油棕(E. oleifera)與非洲油棕(E. guineensis)。其中,原產於安哥拉與甘比亞的非洲油棕,是棕櫚油的主要生產物種。
為了生產油棕,每年都有許多的熱帶雨林被破壞;而且因為砍伐的成本比焚燒要高出許多,所以在印尼與馬來西亞,多半都是用焚燒的方式來開墾原始林,不僅破壞森林,更造成嚴重的空氣污染。 最近,印尼政府才因為焚林所造成的霧霾逮捕了七個人

為了減低對生態的破壞,早在1974年,科學家便已經試圖將產油量高的油棕進行選殖(cloning),希望能以高產量的油棕苗來降低開墾新園地的需要。這種高產量的油棕,來自於兩個不同品系(durapisifera)雜交而成 ,產量比一般的油棕多了30%。

但是,選殖出來的油棕苗,有些卻長出具有極厚種皮(mantled)的果實。這些油棕的花,雌花的退化雄蕊(staminodes)以及雄花的雄蕊發育成假雌蕊(pseudocarpel),造成不育的單維花(parthenocarpic flower),且產出的棕櫚油極少。而且,更糟糕的是,不到開花結果,農夫無法預測到底這株油棕是否會結出厚皮果實來。因此,雖然油棕選殖技術早已成熟,現在的油棕園中,只有少於1%的油棕苗使用選殖苗。 

由於油棕本身也有突變種的性狀類似於厚皮油棕(稱為poissonidiwakkawakka),且厚皮性狀出現的比例並不符合孟德爾遺傳學,加上甚至還有上一代是厚皮、下一代卻回復正常的情形,因此科學家們早就認為,厚皮油棕應該是表觀遺傳(epigenetics)的結果。另外,也發現厚皮油棕的基因體甲基化的情形較野生種為低。

所以,厚皮油棕的出現,可能是某一個基因的活性,因為甲基化程度降低(hypomethylation)而產生的現象。但是,任一高等生物的基因體都至少有上萬個基因。如人有兩萬五千個基因,擬南芥有兩萬七千個基因,要在其中找到「一」個甲基化有變化的基因,不啻如大海撈針!

當然,雖說是大海撈針,如果真的想撈,只要工具對了,還是撈得到。最近,由馬來西亞與美國科學家所組成的研究團隊,終於找到了油棕結出厚皮果的原因!他們針對野生種與厚皮種,進行全基因體甲基化的分析(epigenome-wide …

野生大豆(Glycine soja)的馴化關鍵在種皮

野生的植物為了要讓自己的種子能度過嚴苛的環境,有些便演化出了不透水、不透氣的種皮,讓種子可以埋在地裡幾個月不發芽。

不過,雖然不透水、不透氣可以讓種子保存很長一段時間,但在農業上卻不利於耕作。五千年前,中國華北地區的農夫由野生大豆(Glycine soja)中選出種皮可以透水的栽培種;栽培種的大豆泡水15分鐘後種子便發脹,一兩天內便可發芽。最近,普渡大學(Purdue University)的研究團隊,為了要找出使野生大豆種皮不透水透氣的關鍵,將野生大豆與栽培種雜交後,終於找到了關鍵基因:GmHs1-1。(Hs是「堅硬種皮」hard-seeded的意思)

為什麼要找到這個基因呢?有兩個原因。第一,過去的研究發現,種皮較堅硬的大豆,所含有的鈣質較高,也就是說,營養價值較好;第二,美國的氣候較乾燥,傳統栽培種大豆的種皮,因為會透水透氣,使它們在美國的氣候下無法久儲。

研究團隊先將野生大豆與栽培種雜交,得到的雜交第一代,全部都有堅硬的種皮;也就是說,堅硬種皮的基因其實是顯性(dominant)。

接著進一步分析,找到決定大豆種皮的基因應該是位於第二號染色體。這與過去的發現相呼應。接著,研究團隊進一步深入尋找,終於在第二號染色體上找到了GmHs1-1基因,是一個類鈣調磷酸酶蛋白(calcineurin-like protein)。野生種大豆與栽培種的GmHs1-1,唯一的差別在於其中一個氨基酸因為基因突變,由蘇氨酸(threonine)變為甲硫氨酸(methionine)。

當他們把野生大豆的GmHs1-1轉殖到栽培種大豆之後,栽培種大豆便有了堅硬種皮。同時,轉殖大豆的鈣含量也比栽培種的要高。這個基因主要表現在種皮的Malpighian layer上,使野生大豆的種皮(特別是這一層)比栽培種大豆要厚。

研究團隊分析了195個來自於中國的栽培種大豆,其中只有9個品系帶有野生種的GmHs1-1,剩下的186個品系都是栽培種的序列(即甲硫氨酸突變種)。這個發現也進一步支持研究團隊的假說:GmHs1-1的確是決定堅硬種皮的關鍵基因。或許附近也有其他基因影響到種皮,但GmHs1-1的確有關鍵的決定性。

這個發現,也提供了更多的證據支持戴蒙(Jared Diamond)在「槍砲、病菌與鋼鐵」中提到,作物要馴化,初期性狀的改變多半都只是一個或兩個基因的變化所造成;畢竟古人並不是什麼遺傳…

道氏的新款除草劑Enlist Duo可能會被下架

隨著廣效性除草劑「年年春」(嘉磷塞,glyphosate)逐漸失去神效,道氏(Dow AgroSciences)在去年推出新款的除草劑 -- Enlist Duo。


說是新款,其實只是把嘉磷塞與2,4-D合併使用。美國的環保署(EPA,Environmental Protection Agency)在去年核准它上市,但是最近卻發現,這種殺草劑對生態的影響,可能比原先預估的為高。

在廠商提供的使用說明裡,建議農民應維持至少九公尺的緩衝地帶(buffer zone),以免其他植物受損;但環保署最近發現,九公尺的緩衝地帶似乎不夠。因此,環保署在十一月二十四日向法院遞件,希望可以撤銷Enlist Duo的使用許可。

隨著基改抗蟲作物已經必需以所謂的pyramid strategy(導入兩個或更多的抗蟲結晶蛋白)才能發揮功效,現在連殺草劑也必需要兩種同步使用...筆者真的很擔心有一天田裡到處都是超級雜草與超級害蟲啊...

參考文獻:

Britt E. Erickson. 2015/11/30. Setback For Dow’s Duo Herbicide. Chemical & Engineering News.