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向日葵如何向日?

因為向日葵(Helianthus annauus)的花會朝著太陽的方向轉動,所以它們才叫做向日葵;這種行為被稱為「向日性」(heliotropism),與趨光性(phototropism)是不相同的;趨光性是朝向或背向光源的方向生長,而向日性則是跟著太陽的方向移動。

但是向日葵向日的機制是什麼?而它又為什麼要向日呢?

過去的觀察發現:未成熟的向日葵,每天早上會呈現面(花朵)向東的狀態;接著它便開始由東向西慢慢移動,到傍晚時成為面向西。晚上它會再由西向東移動,於是到了早晨又面向東了。

美國的研究團隊想要了解向日葵向日的機制,由於只有未成熟的向日葵花會有向日性,顯示或許向日性是一種生長反應。於是他們先做了兩個簡單的實驗,以釐清向日葵向日是否是一種生長反應。

第一個實驗是:在傍晚向日葵已經面向西時,將花盆轉180度。如此一來,早上向日葵就變成面向西。第二個實驗則是將向日葵的莖綁起來讓它不能跟著太陽轉。

結果不論是哪一種方法,實驗組的植物不論是葉片的面積或是植物的乾重,都比對照組要少10%。所以,向日葵的向日性的確跟生長有關;由於晚上沒有光線還是會繼續轉動,顯示向日反應可能也跟生物時鐘有關。

為了要了解是否與生物時鐘有關,研究團隊進行了以下的幾個實驗:

一、記錄植物在夏至(16小時日照:8小時黑夜)與秋分(12小時日照:12小時黑夜)花朵的移動情形。
二、把植物由14小時日照:10小時黑夜移到24小時光照,記錄植物花朵的移動情形。
三、將植物移到一天的長度為30小時的環境下,記錄植物花朵的移動情形。

實驗結果發現:向日葵的向日反應,果然與生物時鐘有關!在第一個實驗裡,向日葵在夏至夜晚移動的速度明顯較秋分夜晚快,所以儘管夏至的夜晚少了四小時,但是它們到早上通通都面向東了;第二個實驗,就如一般我們觀察到的,向日的反應在24小時光照下變得愈來愈不明顯;而最後一個實驗,當植物移到30小時一天的環境下,不但向日反應不會出現,連晚上由西向東的移動都亂掉了。

有些有生物節律的植物具備了位於葉柄基部的葉枕(pulvini),讓植物可以展現動的反應;但是向日葵不具有葉枕,是否是因為莖的兩側生長的速度不一致的關係呢?首先研究團隊以無法產生吉貝素(gibberellin)的向日葵突變株 dwarf2dw2)來進行向日反應的觀察。結果發現,dw2突變株長得很矮又沒有向日反應,但在噴洒吉貝素之…

全球暖化改變植物的雌雄比例

纈草(valerian)是多年生植物,雌雄異株。纈草屬下有許多不同種類,其中的 Valeriana officinalis有鎮靜與抗焦慮的藥效。而墨西哥纈草(Valeriana edulis)原生於北美,從海拔1,600公尺到3,500公尺都可以看到它的蹤跡。

分佈的如此之廣的植物,當然會面對不同的氣候囉!畢竟海拔每上昇100公尺,夏季時會下降攝氏0.6度,冬季時會下降攝氏0.36度;也就是說,墨西哥纈草面對的氣候可以相差到攝氏十一度,同時雨量會增加,也會使得土壤的濕度上昇。根據洛磯山脈(Rocky Mountains)的氣候資料,每上昇100公尺,融雪的天數也會延後4.1天。也就是說,長在越高的山上的墨西哥纈草,面對的是更短的生長季節。

縮短的生長季節,對植物會有什麼影響呢?過去的研究發現,長在高海拔與中高海拔區域的墨西哥纈草的雌雄比例不大一樣。過去的研究發現,每上昇100公尺,雄株的比例就減少0.88%;從最低分佈區域的雌雄各半到最高分佈區域,雌雄比例已經來到大約3:1了(雄株比例為22.7%)。也就是說,或許溫度對纈草的雌雄比例會有影響喔!

近年來,全球暖化已經影響到許多動植物的生存,對於墨西哥纈草,既然溫度變化可以影響到雌雄比例,暖化是否也會對它們造成影響呢?

美國的研究團隊發現,在科羅拉多的洛磯山脈區域,從1978到2014年,氣溫平均每十年上昇攝氏0.21度。溫度的上昇帶動了雨量、土壤濕度以及融雪日期的改變,造成雨量每十年減少1.91 mm、土壤的濕度則每十年減少 1.5%、融雪日則每十年提前2.9天。

這樣的變化,不可能對墨西哥纈草沒有影響。研究團隊仔細觀察四大群的纈草,首先發現,過去四十年來,纈草開花的日期每十年提早了3.1日。接著他們發現高海拔區雄株的比例上昇了,而且是隨著暖化的程度,以每10年增加 1.28%的速度上昇。這使得高海拔區的雌雄比例由四十年前的 3.4下降到2.85(雄株比例由22.7%上昇到26%)。

雌雄比例改變,是否會影響植物的授粉率呢?由於墨西哥纈草雌株的花粉來源有90%來自附近十公尺內的雄株,雌雄比例改變影響到授粉的成功率,是很合理的。研究團隊觀察發現,在過去,最高區授粉成功率只有76%,而最低區的則有95%。以目前有的數據推算,若暖化的速率不變,到公元2100年時,在最高區的墨西哥纈草授粉成功率會提高11.2%,但位於…

六千年前的大麥基因告訴我們的秘密

看過大麥嗎?吃過大麥嗎?我想在台灣的朋友,應該都會對上面那兩個問題搖頭。雖然大麥(Hordeum vulgare L.)現在已經不再出現在餐桌上了,但是它其實是在同一時期跟小麥一起被馴化的穀物;也就是說,西亞文明是建立在大麥與小麥(二粒小麥,emmer)上的。

由於大麥比麵包小麥耐旱耐鹽,成熟期比小麥短,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。

時至今日,我們對大麥的印象,已經從餐桌上的主食變為飼料;但其實大麥仍然是釀酒(尤其是啤酒)的必需成分。由於大麥含有兩種澱粉酶(α-與β-amylase),有它的存在,澱粉可以加速分解;另外在釀酒時,大麥的外殼可以形成天然的過濾層;所以雖然我們不再直接食用大麥,它卻以「轉一手」的方式,出現在我們的餐桌上(動物的肉、啤酒)喔!

最近這些年,隨著分子生物技術的突飛猛進,我們看到了許多生物的基因體相繼解碼;從1995年流感嗜血桿菌(Haemophilus influenzae)的基因體被解碼後,1996年啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)成為第一個基因體被解碼的真核生物,然後在2000年的阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)、2001年人類基因體...

基因定序技術,隨著一次次的「練兵」也一日千里。但真正讓大家覺得大開眼界的是,古代生物的基因定序。

古代生物的基因定序之所以不容易,簡而言之,是由於我們的基因體(成分為去氧核糖核酸)也會持續遭受化學損傷與外來的輻射損傷;但當我們還活著的時候,身體有許多機制可以修復基因體,一旦我們呼出最後一口氣以後,修補機制也跟著停擺,於是損傷便開始累積。再加上,細胞也因為沒有能量可以維持基本的活動,而開始分解;最後,還有我們周圍的多數民族(細菌)們也會開始分解、吞食我們...所以能留下給我們定序的量實在是不多!也因此,在2010年,當帕波博士將尼安德塔人的基因體定序完成時,真的是非常的轟動啊!

相對於動物,古代植物的基因體似乎更不容易被保存下來!這是由於植物在構造上,因為缺乏了動物的骨骼等構造,使得它的基因體比動物更容易被分解。因此,雖然目前已有不少古代動物的基因體被定序,但能被定序的古代植物真的不多。

最近歐洲的研究團…

【原來作物有故事】馬鈴薯 從被誤解到大流行

生活中的馬鈴薯

大家對馬鈴薯的印象是薯條、洋芋片,還是咖哩飯裡的馬鈴薯?身為溫帶作物的馬鈴薯,可能是在十七世紀時隨著荷蘭人或西班牙人來台灣的;而薯條則是在1984年,麥當勞進軍台灣後,大家才知道馬鈴薯可以炸薯條。不過,薯條其實是比利時人的發明,在第一次世界大戰時被美國人帶回去,而且還錯誤的被稱為「法國炸(French Fries)」呢!為了不要讓薯條再被誤會,比利時已於2015年向聯合國教科文組織(UNESCO)申請炸薯條為世界遺產了。至於洋芋片,就真的是美國人的發明囉!在1850年代初期,紐約州的一個廚師因為客人嫌他的薯片切得太厚,一氣之下切了薄片拿去炸,沒想到大受歡迎—洋芋片就這樣誕生了。

最愛馬鈴薯的除了印加人,大概就是美國人了:他們吃薯條、炸洋芋片、烤馬鈴薯,還玩馬鈴薯!「玩具總動員」裡面的「蛋頭先生」,其實是「馬鈴薯頭先生」喔!他在1949年誕生,1952年上市,一開始是用真的馬鈴薯配上裝在大頭釘上的五官、鬚髮來販賣,到1964年因為新鮮馬鈴薯不耐儲存且大頭釘有安全顧慮,才改成塑膠製品。

野生的馬鈴薯大約只有小指頭大小,而且含有有毒的龍葵鹼,可不能亂吃喔!古代印加人發展出類似冷凍乾燥的技術,用來去除馬鈴薯的毒素與苦味,讓馬鈴薯變得可以吃。現代的馬鈴薯所含龍葵鹼很低,不過發芽時龍葵鹼會提高5-6倍,所以,家中的馬鈴薯如果變綠,就別再吃了!

馬鈴薯如何進入人類歷史

馬鈴薯發源於位於秘魯與玻利維亞之間海拔四千公尺的阿爾蒂普拉諾高原,當地的人最早大約是紀元前八千年就開始種/吃馬鈴薯了。發源於高原的馬鈴薯比小麥、玉米與稻米都耐寒。當地的人民依靠它為生,誕生了蒂亞瓦納科文明與印加文明。印加人崇敬馬鈴薯,稱呼馬鈴薯為Kausay,也就是「維持生命所需的物質」;在他們的傳說裡的大地/世界之母也是馬鈴薯女神。

到了十六世紀的地理大發現,馬鈴薯被帶回了西班牙。由於馬鈴薯的可食部分在地下,與大麥、小麥都不一樣;加上它凸凹不平的芽眼,使得當時甚至有「吃馬鈴薯會得痲瘋」的謠言,直到腓特烈大帝為了解決農作物的寒害問題,開始推廣馬鈴薯、舉辦試吃會、並以立法規定強迫農民種馬鈴薯以後 ,馬鈴薯才開始逐漸深入民間。到了十八世紀後半,德國因為有了馬鈴薯,逃過了寒害所造成的麥類作物歉收問題,終於成為歐洲強國。

馬鈴薯在十七世紀後半傳到愛爾蘭。因為它可以在貧瘠的土壤中成長茁壯,加上它能夠適應愛爾蘭…

【原來作物有故事】玉米與美洲文明

冬天來一根熱騰騰的水煮玉米或烤玉米、看電影時買一大包熱呼呼的爆米花,玉米雖然不是我們的主食,但也溫暖了我們的腸胃、增加我們生活的樂趣。

生活中,玉米以各種型態出現在我們面前。除了早期的白玉米、後來黃色的甜玉米以及現在可以做沙拉吃的水果玉米之外,玉米還以其他我們不容易留意到的型態出現:高果糖糖漿,以及動物的肉。

高果糖糖漿是在1960年代發明的。用酵素把玉米澱粉裡的葡萄糖轉為果糖後,玉米澱粉就成了高果糖糖漿。因為味道爽口又使用方便,它大量出現在飲料裡, 也造成了我們的肥胖問題。

很難想像,動物的肉裡面有玉米!那是因為,玉米是動物飼料的原料之一,就算你不喜歡吃玉米,只要你吃肉,還是會間接的吃到玉米喔!也就是因為這樣,玉米是世界產量第一的農作物呢!

在台灣,我們喜歡單色的玉米;但是美洲的原住民們卻喜歡雜色的玉米。雜色玉米其實是玉米基因體裡面的「跳躍基因」(transponson)造成的;所以沒有兩根雜色玉米的花樣是完全相同的。這個現象一直沒有人去研究,直到1940-1950年,美國的芭芭拉•麥克林托克(Barbara McClintock,1902-1992)博士解出了這個謎題之後,大家才知道原來有些基因是可以在基因體上移動的。

中南美洲的原住民可都是以玉米為主食的。他們大約在公元五千年前開始種玉米,到公元一千五百年前玉米就已經是現在的樣子了。不過,雖然玉米造就了馬雅、阿茲特克與印加文明,但由於它無法自然播種,也限制了這些文明的發展。

雖然玉米無法自然播種,但它的祖先--大芻草—是可以自然播種的喔!玉米可以說是被人類改變最多的農作物了,從比玉米筍還要小、具有堅硬種皮的大芻草,到長達二三十公分、香甜可口的甜玉米,若不說明,沒有人會相信他們是一家人呢!


玉米在美洲原住民的重要性,可以由印加文明中的大地之母(Pachamama)看出來。大地之母有兩個化身,一個是馬鈴薯女神(Axomama),另一個就是玉米女神(Saramama)。美洲原住民也發現了爆米花:有些品系的玉米,因為澱粉分佈的位置,使得他們的穀粒在加熱後會爆,由於他們崇敬玉米,於是爆米花也用來在祭典裡祭神。

但是,等到歐洲人到了新大陸,看到了玉米,一開始卻把它當作觀賞植物;後來又認為它的營養價值不如小麥,只適合給豬吃。不過,由於它生長快、產量大,很快南歐的義大利、西班牙等地,就開始有人以玉米為主食。

但是,由於歐洲人…