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卡氏帶(Casparian Strip)不簡單!

生物學裡面提到植物根部的構造時,一定會提到「卡氏帶」(Casparian Strip)。卡氏帶是由十九世紀的德國植物學家羅伯特‧卡斯帕里(Johann Xaver Robert Caspary,1818-1887)所發現的,是以木質素(lignin)聚合物在植物根部的內皮細胞(endodermal cell)上形成的環狀結構。

過去的許多觀察結果告訴我們,卡氏帶對於植物根部水分與礦物質的吸收很重要。所有水溶性的物質在土壤中可以透過質外路徑(apoplastic route)或共質體路徑(symplastic route)進入根部。質外路徑指得是細胞壁以及細胞壁之間的空間,共質體路徑則是原生質。但不論是藉由質外路徑或共質體路徑進入的水分與礦物質,在即將進入根部的維管束時,一定會遇到由厭水性的木質素構成圍繞在維管束內皮細胞上的卡氏帶,便會全部改由共質體路徑進入維管束的導管(xylem)(如下圖)。

過去對卡氏帶形成的研究已經找到了一些與卡氏帶形成相關的基因,包括CASP家族蛋白(Casparian strip membrane domain protein)與GASSHO1/SCHENGEN3(簡稱GSO1/SGN3)。從蛋白質的結構分析看來,GSO1/SGN3被認為可能是一個小分子肽賀爾蒙的受器。科學家們發現,當他們把GSO1/SGN3剔除後,CASP家族的表現呈現不連續的狀態,卡氏帶也一樣斷斷續續。

究竟GSO1/SGN3是不是小分子肽賀爾蒙的受器呢?是否真有小分子肽賀爾蒙掌管卡氏帶的形成?日本的研究團隊搜尋阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)的基因體,找到了兩個可能就是小分子肽賀爾蒙的基因。以這兩個基因搜尋其他植物的基因體發現,它們在陸生植物中分佈得極為廣泛。於是研究團隊用化學交聯(chemical crosslink)的方式,用其中一個基因預測的小分子肽為釣竿,來找出與這兩個基因的產物有互動的基因。

結果他們除了找到GSO1/SGN3(BINGO!)以外,還找到另一個基因GSO2。進一步測試顯示,這兩個基因與GSO1/SGN3以及GSO2的互動是有專一性的,且它們只表現在根部。所以,植物卡氏帶的形成,真的與小分子肽賀爾蒙有關!

接著研究團隊找到了缺少這兩個基因的突變植物。同時缺少這兩個基因的植物呈現與缺少GSO1/SGN3以及GSO2類似的性…

【原來作物有故事】鴉片 解除苦痛也捎來痛苦

我們在讀中國近代史的時候,一定會讀到「鴉片戰爭」!發生在1840年6月21日的「鴉片戰爭」,英國遠征軍僅僅以五艘戰艦、三艘汽船與21艘運輸船就打敗了有三億人口的中國。從此中國就落入了不斷割地、賠款的悲慘境地…究竟鴉片是什麼呢?

鴉片是由罌粟花未成熟蒴果分泌出來的乳汁製成。黃昏時工人用刀片小心地把未熟蒴果從表皮輕輕割開幾道傷口,流出來的乳汁凝結在蒴果的外面,第二天一早再去採收,曬乾或陰乾後就是鴉片。

罌粟原產於地中海的東部,希臘人、羅馬人很早就會利用它了。文學作品「奧德賽」裡提到鴉片,醫學之父希波克拉提斯也提過它的療效。因為鴉片止痛效果非常好,所以在中古時代的歐洲,鴉片大量地被使用在醫療上。不過,醫生們很快地也發現了它的副作用:上癮。歷史上許多名人都曾經因為服用鴉片來治病,最後成為癮君子!如「雙城記」的作者狄更斯、浪漫派詩人雪萊等,都是鴉片的手下敗將呢!

至於鴉片戰爭是怎麼一回事呢?我想大家在歷史課上應該都知道蠻多的,我們在今年初的「茶葉 改變中國命運」裡面也提到了一點。當時英國每年大量的向中國購買茶葉、瓷器、絲織品,但是中國卻幾乎不跟英國買任何貨物,為了平衡對中國的貿易逆差,便決定要賣鴉片給中國人;但是中國從明朝末年便已經知道鴉片的危害,早就禁止販賣鴉片了!於是他們就偷偷地從印度把鴉片賣進中國,使中國到了道光皇帝的時候,全國竟然有三百萬人吸毒!道光皇帝便派了林則徐去廣州查緝、沒收了許多鴉片運到虎門銷毀。可是當時的英國政府不甘心損失這麼多鴉片,便決定要向中國開戰。

雖然開戰的結果中國輸了,鴉片繼續源源不絕地輸入中國,可到了1906年,歐洲各國發現他們自己國內吸毒的人口也急速上昇,這時才發現害人害己,只好回過頭來跟中國聯手查緝毒品,從此鴉片在全世界都成了非法的物質,即使因為醫療上的用途要使用它,也需要申請。

當然,現在醫院裡並不是使用鴉片,而是它的主要成分:嗎啡。嗎啡是在1804年,由德國的科學家塞特內爾從鴉片裡面分離出來並命名的。為什麼命名為嗎啡呢?因為鴉片有止痛與鎮靜的效用,可以讓不舒服的病人睡著,所以就用了睡神(Morpheus)的名字來幫鴉片裡面的主要成分命名。

跟鴉片有關的毒品,除了嗎啡,還有可待因與海洛英。可待因也是罌粟果實的產物之一,有時會出現在咳嗽糖漿裡,所以服用咳嗽糖漿的時候要留意喔!至於海洛英則是在1874年由萊特以嗎啡為原料製成,原來是希望可以…

重寫新大陸茄科植物(Solanaceae)演化樹?

提到茄科(Solanaceae)植物,您想到什麼呢?番茄、茄子,還是顛茄?

在十五世紀末的地理大發現開始之前,歐洲人對茄科植物的印象,大概就只有茄子(eggplant,Solanum melongena)、顛茄(deadly nightshade,Atropa belladonna)與龍葵(black nightshade,Solanum nigrum)之類吧!

等到哥倫布(Christopher Columbus,1451-1506)發現美洲之後,隨著到美洲的人越來越多,歐洲人看到了許多過去沒看過的動、植物;美洲,尤其是南美洲,是茄科植物的大本營。在大約2,500種、102屬的茄科植物中,有大約40屬都是原生於熱帶南美洲;對人類社會至關重要的幾種茄科植物:番茄、馬鈴薯(Solanum 茄屬)、辣椒(Capsicum 辣椒屬)也都是原生於美洲。光是茄屬就佔了茄科植物的一半種類!

雖然茄科植物對我們這麼重要,但由於化石資料相當少,所以過去對茄科植物的演化大多只能從型態學以及分子生物學上去進行。分子生物學的資料顯示,茄科植物可能是在四千九百萬年到六千七百萬年前在南美洲與旋花科(Convolvulaceae)植物分道揚鑣,但是相關的資料極少。

最近阿根廷與美國的研究團隊,在阿根廷的巴塔哥尼亞(Patagonia)發現了兩個五千兩百萬年前的茄科植物果實化石。這兩個化石,其中一個具備有酸漿屬(Physalis)植物的特徵:花萼包圍著果實,形成一層薄薄的膜,看起來像燈籠。

這個發現推翻了兩件事。第一,茄科植物應該是在更早的時間點就與旋花科植物分道揚鑣。也就是說,茄科植物應該早在岡瓦納大陸(Gondwana)分裂之前就演化完成;第二,酸漿屬植物不是茄科裡面最後演化出來的成員。

過去認為,酸漿屬植物應該是在大約一千萬年前才由茄科中演化出來。但是這個化石具備所有酸漿屬植物果實的特徵,所以它確然無疑地將酸漿屬的植物出現的時間往前推了四千萬年以上,而茄科植物在地球上出現的時間,也往前推了至少兩千萬年。

只要發現新種類,不管是否現在已經絕種,發現者當然要幫它命名囉!由於化石的發現地--巴塔哥尼亞--位於阿根廷的最南端,原本當地就有個綽號「世界終點」(the end of the world),所以發現的科學家便將這個植物命名為 Physalis infinemundi ,屬名就不用解釋了…

高溫如何造成番茄減產?

有些農作物並不適合在亞熱帶與熱帶栽種,原產於中南美洲的番茄(Solanum lycopersicum)就是其中之一。番茄是溫帶作物,生長時最適宜的溫度是攝氏18度到32度之間,生育期最適溫度為攝氏15-26度。如果白天高於攝氏32度、夜間高於攝氏24度,番茄的花就會無法發育、果實也會無法成熟。

到底高溫對番茄的花產生什麼樣的影響呢?過去的觀察發現,主要的影響層面在雄蕊。最近的一項研究發現,高溫對番茄雄蕊與花粉的發育的影響,甚至還包括了基因的表現。

研究團隊為了了解到底高溫會對番茄花器的發育產生什麼影響,他們把番茄種在白天攝氏32度,晚上26度的環境下(CMH32)。在這個狀況下的番茄的花,大約有四分之一花藥之間出現空隙,並呈現扭曲、尖端變綠的型態(如下圖右上):

當白天的溫度提升到攝氏34度時,花藥畸形的比率由四分之一上昇到九成五左右。而花粉的萌發率,也由適宜溫度時的五成五下降到百分之五,到了攝氏34度時,幾乎沒有花粉萌發。但是耐熱品系的番茄(在本研究中使用了基改番茄)則不受高溫影響。

除了花藥的扭曲畸形外,研究團隊還觀察到,雄蕊靠近花藥的細胞出現了類似雌蕊中柱的型態,在花藥基部也觀察到類似胚珠的型態的結構。

由於植物花器的發育是由分為A、B、C三大類的同源基因(homeotic genes)主導,花萼由A類基因作用產生、花瓣由A類與B類基因共同作用產生,雄蕊由B與C類基因共同作用下所產生,而雌蕊則僅由C類基因作用產生;因此,研究團隊針對他們觀察到的雄蕊雌性化現象,偵測是否B類與C類的基因表現出了問題?

結果發現,原本只表現在雌蕊的基因,在高溫下也出現在雄蕊;另外,原本只表現在雌蕊,與胚珠發育相關的基因,在高溫下也可以在雄蕊中偵測到。而幾個對雄蕊發育很重要的B類基因,在高溫下在雄蕊中的表現量都下降了。

所以高溫會使番茄的B類基因表現下降,也使得原本只表現在雌蕊與胚珠的基因在雄蕊中表現出來;這是否是因為B類基因表現下降所造成的呢?研究團隊使用了干擾RNA(RNAi)將其中的一個B類基因的表現量壓低,結果發現,甚至不需要把溫度提高到攝氏32度!只需要在攝氏30度時,便可以觀察到B類基因表現量降低造成雄蕊雌性化的比例由一成二大幅提升到接近六成,同時花粉的萌發率也由三成六下降到完全沒有花粉萌發。

由過去的農業經驗,人們已經知道番茄並不是耐熱的作物;即使在亞洲蔬菜中心的收…

【原來作物有故事】鳳梨 漂洋過海在臺灣發揚光大

作者:葉綠舒、王奕盛、梁丞志

在台灣提到鳳梨,一定會想到鳳梨酥這代表台灣的伴手禮。但是鳳梨其實不是台灣原產的水果喔!鳳梨原產於熱帶南美洲,在哥倫布1493年的第二次航行時於瓜德羅普的村莊中發現後引進歐洲,約於16世紀中葉傳入中國;台灣則是在1605年先由葡萄牙人引進澳門,再由閩粵傳入台灣,至今已有三百多年歷史。

在台灣,鳳梨因為台語諧音「旺來」很吉利而廣受大眾喜愛,但其實鳳梨的名字是根據它果實的型態來的,因為果實的前端有一叢綠色的葉片,讓以前的人覺得很像鳳尾,加上果肉的顏色像梨,所以就取名為「鳳梨」。至於英文的名稱也是因為果實的外型像毬果、而肉質香甜,所以就被取名為「松蘋果」(pineapple)啦!其實鳳梨果實的毬果狀的外觀主要是因為鳳梨是「聚合果」,每顆鳳梨是由200朵鳳梨花集合而成的!而它的學名Ananas則是來自於圖皮語,意思是很棒的水果。

在哥倫布把鳳梨引進歐洲以後,因為它的香甜好滋味讓它大受歡迎;但是身為熱帶水果的鳳梨,在溫帶的歐洲長得並不好!為了要讓王公貴族們吃到鳳梨,十六世紀的園丁們發明了「鳳梨暖爐」:把單顆鳳梨放在由馬糞堆肥做的暖床上的木製棚架,並升起爐火來保持溫暖,好讓鳳梨這熱帶植物可以在溫帶的歐洲開花結果;世界上第一個溫室就這樣誕生了,並由此開啟了歐洲建造溫室的熱潮!

鳳梨不只是改變了歐洲,在日本人到台灣後,嚐到了鳳梨的香甜滋味,便開始推動鳳梨產業。1903年,岡村庄太郎於鳳山設置岡村鳳梨工廠,生產鳳梨罐頭;後來逐漸形成中部以員林、南部以鳳山為中心的鳳梨生產體系。在1938年時,鳳梨罐頭工廠女工竟然佔了全台灣女性勞動人數三分之一以上呢!光復以後台灣的鳳梨產業也曾在1971年登上世界第一,讓台灣被稱為「鳳梨王國」。但是後來不敵其他國家的競爭,已經由外銷罐頭改為多以內銷鮮食鳳梨為主的型態了。

從清朝、日治時代直到現在,台灣的鳳梨品系一直都一樣嗎?當然不是囉!最早的鳳梨被稱為「在來種」,後來日治時代為了製作罐頭方便,從夏威夷引進了開英種;到了1980年以後,因為罐頭外銷敵不過競爭,台灣的鳳梨改為內銷且以鮮食為主,為了挽救鳳梨產業,農改場、農試所便培育出各種不同適合鮮食的鳳梨:包括不用削皮可以直接剝來吃的釋迦鳳梨(台農4號),最適合在秋冬生產的冬蜜鳳梨(台農13號),有特殊香氣的香水鳳梨(台農11號),以及因為果肉乳白色被稱為牛奶鳳梨的台農20號等…

海底世界的授粉者

進行有性生殖的植物需要授粉者(pollinator),在不同門的植物中,以參與被子植物(angiosperm)授粉的成員最多采多姿了;有以風為媒介的、以動物為媒介的、也有以水為媒介的,而吸引動物為媒介的更是多采多姿,有些提供獎賞(花粉、花蜜),有些乾脆用騙的

不過,上面提到的這些,都是陸生植物;水生植物呢?過去我們對水生植物如何完成終身大事,總是停留在它們都要依賴水將花粉帶到雌蕊那裡去的印象--也就是說,水生植物(藻類)
都是「水媒花」。

這個印象大致上也是正確的。過去的觀察發現,對於沈在水底的藻類來說,從花的構造也可以看到以水為授粉媒介所產生的變化。例如雌蕊的柱頭形成觸手狀的結構,雄蕊產生大量的花粉,花粉可能是絲狀或圓形帶有黏液等等,這些都是為了在水裡能夠更容易完成終身大事所做的演化。

生長於加勒比海與亞熱帶大西洋西部的烏龜藻(Thalassia testudinum),為泰來藻屬,是雌雄異株的水生植物。烏龜藻長得矮小不起眼,大概只有1-2公分高,雄花晚上開花,只開1-2小時;開花時,每朵雄花會產生十六萬顆帶有黏液的花粉。雌花則是白天開花,在72小時內都可以授粉。

若從帶有黏液的花粉看來,烏龜藻似乎也是水媒花囉?原本科學家們也是這麼想的,但是在2012年的一項研究中,研究團隊觀察到有蠻多甲殼類與多毛綱(polychaetes)的小生物,會在晚上雄花盛放的時候來接觸烏龜藻的雄花。雖然這些小傢伙們會游泳,但牠們也會隨著海流漂來漂去。有沒有可能牠們會幫烏龜藻授粉呢?

要證明這些甲殼類與多毛綱的小生物們是烏龜藻的授粉者,研究團隊要能夠證明:(1)牠們會接觸雄花與雌花;(2)牠們真的會攜帶花粉;(3)牠們會把花粉從雄花帶到雌花;(4)有受精事件發生。

研究團隊觀察發現,這些小生物們真的會去接觸雄花與雌花--而且牠們還會採食雄花(可能是採食富含碳水化合物的黏液)。接觸雄花後的甲殼類與多毛綱生物,在牠們的觸角、口器、腹部以及體節等部位都可以找到花粉黏在身上。

要怎麼證明這些小生物們真的會把花粉帶到雌花上呢?這有一點難度,不過研究團隊在海水缸裡面觀察,有這些小生物存在與沒有的烏龜藻,雌蕊上的花粉數目在15分鐘內是否有變化。結果發現,沒有這些小生物的海水缸裡的烏龜藻,雌花上面黏著的花粉數目沒有變化;但有這些小傢伙存在的海水缸裡,有些雌花上黏著的花粉顆粒變多了,有些則變少了。由…

【原來作物有故事】世界最大的草本植物 香蕉

作者 葉綠舒(慈濟大學生命科學系助理教授)、王奕盛、梁丞志(慈濟高中)

香蕉(Musa x paradisiaca),在生活中隨處可見的一種水果,吃起來鬆軟香甜,大人小孩都喜愛。也因此,香蕉在台灣,曾經為我們帶來了高達一年一億美元的外匯,這為我們帶來龐大利益的水果,又是如何進入台灣呢?讓我們一起來了解香蕉這個水果吧!

香蕉在台灣又稱甘蕉、芎蕉、芽蕉、弓蕉,為多年生草本植物,也是世界上最大的草本植物。我們現在吃的香蕉稱為華蕉,是小果野蕉的三倍體,它在台灣被稱為「北蕉」,應該是因為兩百多年前從大陸華南廣東、福建地區引進時,由於從北部基隆港引入,就得到這個名字了。目前全世界有135個國家栽種香蕉,全世界生產的香蕉有15%供外銷。

香蕉最早可能是在東南亞與巴布亞紐幾內亞馴化,考古發現可以追溯到公元前五千年。究竟是何時傳入台灣有很多不同的說法,可能是在200多年前來自福建,到了日治時代,由於日本人愛吃香蕉,在台灣各地試種,發現中南部最適合種香蕉;因此主要產地集中在中南部地區,尤其在高雄市旗山區最多。旗山區曾被稱為「香蕉王國」,在1907年已有香蕉外銷日本;到了1967年(民國56年),旗山出產的香蕉佔全國總產量的58%,逼近全國出口值的十分之一,成為當時台灣的主要經濟命脈之一。後來因為不敵菲律賓與中美洲各國的競爭,目前主要提供國內食用。

美洲的香蕉主要由中美洲國家進口,但是出口香蕉的利益為少數公司所把持;公司為了自己的利益,要求農民使用危險的農藥處理香蕉,使得中美洲農民的健康被殘害,甚至無法生育!隨著公平貿易興起,農民不需要再使用危險的農藥,收入也提高了不少,生活也獲得改善。


雖然我們目前食用的香蕉主要是華蕉,但是在1950年代時全世界主要的香蕉卻是被暱稱為『大麥克』的大米七香蕉。為何大米七香蕉會被華蕉給取代呢?因為當時黃葉病在全世界大流行,由於栽培用的香蕉都是三倍體,只能以無性生殖的方式繁殖;無性生殖的好處是所有的香蕉口味都是一樣的,但是壞處就是一旦有病蟲害出現,因為所有的香蕉都是一樣的,感染便如野火燎原一般地散播開來!眼看著全世界的香蕉產業就要不保,還好當時發現華蕉對黃葉病有抵抗力,於是農民紛紛改種華蕉,華蕉便一躍而成世界香蕉的主要品系了。


除了華蕉以外,在台灣我們還可以買到芭蕉、粉蕉、紅皮蕉(俗稱蘋果香蕉)其他不同的蕉類水果。在台灣,大部分的香蕉都是生吃;不過在世…

【原來作物有故事】瘧疾的救星-金雞納(Cinchona officinalis)

秘魯總督欽喬伯爵的太太得了瘧疾,用盡方法治療無效的醫師建議試試「厄瓜多樹皮」。聽起來很不可思議,但是因為已經無計可施了,所以欽喬伯爵同意試試看…沒想到真的好了。當林奈在1753年命名金雞納樹時,為了紀念這件事,他便用了欽喬伯爵的名字來命名。不過,他把欽喬伯爵的姓給拼錯了;於是就成了金雞納樹了。

金雞納原產南美洲安地斯高地,在當地總共有大約四十種金雞納樹,不同種對瘧疾的療效差異很大。耶穌會教士由秘魯的印第安人處學會了使用金雞納樹皮,並引進歐洲,所以金雞納樹皮又稱為「耶穌會教士樹皮」。在不同教派互相排斥的當時,據說就是因為這個名稱,讓克倫威爾拒絕服用,最後死於瘧疾。

從黃帝內經開始,就有瘧疾的記載。瘧疾這個古老的疾病奪走許多人的生命,包括建立橫跨歐、亞、非三洲大帝國的亞歷山大大帝。教廷甚至曾在十四世紀初因為羅馬瘧疾大流行,不得不搬到法國的亞維農68年呢!等到歐洲人發現新大陸,瘧疾也跟著一起移民了;後來,全世界除了南極洲以外都出現瘧疾。

在沒有金雞納之前,歐洲人對瘧疾一點辦法也沒有。這可以從當時古書記載的瘧疾療法看出來:除了放血、吃草藥,竟然還有讀「伊里亞德」!所以金雞納樹的發現,對歐洲人來說真的就像找到救命仙丹!但是每患一次病要用掉4.4公斤的樹皮才能治癒;而早期剝皮採用環割法,使得樹被剝完樹皮就死了。到了1795年,每年要砍掉兩萬五千株金雞納樹;但是新種的樹要十年才能開始剝皮,根本就趕不上啊!因為金雞納樹對歐洲國家實在太重要了,英國的邱園便在1858年派遣斯普魯斯與馬卡姆兩位植物獵人前往南美洲尋找金雞納樹,隨後開始在爪哇與印度種植。


除了種樹以外,科學家們也努力地從金雞納裡面找尋可以治瘧疾的成分。終於在1820年,法國科學家卡文特與伯特爾從金雞納樹皮中分離出奎寧。分離出有效成分後,接著就要想辦法開發人工合成奎寧的方法。在二戰期間,因為日本佔據了爪哇,造成奎寧的來源中斷,反而加速了美國發明氯奎的腳步。

二戰結束後,世界衛生組織展開根治瘧疾運動。除了以氯奎治療瘧疾患者以外,也到處噴灑DDT、在水溝噴灑柴油、掛蚊帳。一開始很成功,但後來卻發現DDT有毒、瘧原蟲對氯奎產生抗藥性、瘧蚊對DDT也產生抗藥性。

越來越多瘧原蟲對氯奎產生抗藥性,使中國在1967年啟動瘧疾防治藥物研究工作。一開始不是很順利,後來屠呦呦女士由東晉葛洪的著作「肘後備急方」的「青蒿一握,以水二升漬,絞…

植物的開花時間是怎麼決定的?

如果看過周帛暄老師的耐熱草莓的研究,這次聽到周老師的「花器形成基因在開花時間與花器結構上的應用潛力」演講,應該會很羨慕周老師總是有好吃的跟好看的實驗材料。

周老師以台灣百合(Lilium formosanum)與扇形文心(Erycina pusilla)為材料,從裡面找到與開花時間相關的基因:Constans-like (COL),研究COL家族與開花時間的關係。

植物如何決定要不要開花?植物的 ConstansCO)是一個轉錄活化蛋白,經由感應光以及接收生物時鐘過來的資訊,決定是否要下指令給下游如 FT、SOC1、LFY等蛋白質;因此當植物缺乏CO時會非常晚開花,而植物若表現過量的CO時則會提早開花。

除了CO,植物裡面還可以找到長得像CO的基因,被稱為COL。阿拉伯芥有32個,它們的功能非常不同,有些與開花時間一點關係也沒有。

那麼其他的植物呢?周老師從扇形文心的轉錄體中找到了12個COL基因,以過量表現與基因工程的方法,觀察這些COL基因對植物的影響。結果發現,有些與開花時間有關,但跟CO不一樣的是,有些COL會抑制開花。有意思的是,並不是在演化樹上關連比較近的COL就一定會有相似的功能喔!

至於台灣百合又是另一個故事了,周老師用分子生物學的技術釣出了7個與花器形成相關的MADS-box基因,經過試驗的結果發現,這些基因都與花器形成相關,有些管花瓣的形成、有些管花蕊的形成,不過也有對頂芽優勢有影響的!

雖然我們聽完以後都很羨慕周老師有草莓可以吃還有花可以賞,但是周老師說:在他的實驗室工作「很辛苦」!所以有膽就放馬過來吧!


孔雀秋海棠的光合作用魔術

原產於馬來西亞雨林的孔雀秋海棠(Begonia pavonina),只有在光線極弱的狀況下葉片會出現藍色。當光線夠強的時候,葉片上的藍色就不會出現了。

因為這藍色是如此的美麗,使它得到了「孔雀秋海棠」(peacock begonia)的美名。大家搶著種它,想要看到那美麗的孔雀藍;但到底為什麼要出現這美麗的孔雀藍呢?

通常我們都認為,在葉片裡面除了葉綠素以外的光合色素,都是輔助色素:在光線不夠時,幫忙吸收更多光能;在光線太強時,把多餘的能量發散。所以孔雀秋海棠的孔雀藍,是否也是一種輔助色素呢?

之前的研究已經發現,這些孔雀藍,應該是來自於被稱為虹彩體(iridoplast)的一種色素體(plastid)。虹彩體位於葉片上表皮的細胞中,為葉綠體的變體。在最近的研究發現,這些虹彩體的類囊體(thylakoids)以一種不尋常的方式排列:每疊葉綠餅(grana)由三到四個類囊體組成,厚度約為40奈米;而一疊一疊的葉綠餅之間的距離約為100奈米。


一般的葉綠體,通常葉綠餅的排列是散亂的(如圖);孔雀秋海棠的虹彩體的葉綠餅卻排得如此整齊,有什麼作用呢?

研究團隊測量了20個虹彩體,發現它們的特殊構造賦予它們反射435~500奈米的光波的能力。這個波長正好就是藍光波段的最右邊,與綠光交界的位置。這就是為什麼孔雀秋海棠是藍色的原因吧!

不過,這些虹彩體不只是會反射藍光而已。研究團隊還發現,虹彩體讓孔雀秋海棠吸收較長波的綠光與紅光的能力提升了!這對孔雀秋海棠是非常重要的,因為它們通常在熱帶雨林的地面上生長。

在熱帶雨林裡,光線都被大樹給遮住了,使得地表的光線極弱。弱到怎樣的地步呢?大約是樹冠光線強度的百萬到千萬分之一喔!而且還不只是光線變弱而已,因為雨林中的大樹們把進行光合作用所需的兩個主要波段的光(460奈米與680奈米)都吸收得差不多了,在這樣的環境下,孔雀秋海棠如果不發展出吸收一點綠光的本事,還真的會混不下去。

事實上,因為這些特殊的構造,虹彩體比一般的葉綠體進行光合作用的效率更高。研究團隊藉著測量葉綠體的螢光(葉綠體進行光合作用時,一部份的葉綠素會把吸收的光以暗紅色的螢光發射出去;所以可以藉著測量螢光了解植物進行光合作用的效率)發現,虹彩體進行光合作用的效率,比一般的葉綠體都好。不過,當光線變強的時候,虹彩體的效率就沒有那麼好了;這或許就是為何,當我們把孔雀秋海棠種在光線…

【原來作物有故事】樹上的羊毛~棉花

生活中的棉花

現在大家都愛穿純棉的衣服,因為它吸汗又透氣。但是在六、七十年代時,大家更愛穿人造纖維的衣服喔!因為不皺免燙又快乾,對媽媽們來說,小朋友的制服用人造纖維料子,晚上洗好晾著,早上就可以穿去上學了。當時的「太子龍」、「達克龍」可是許多媽媽的心頭好呢!但隨著社會進步,崇尚自然的風潮興起,大家又開始擁抱起老朋友了。

發源於巴基斯坦的棉花,共有39個品種,4個栽培種:最常見的商業品種是美洲高地棉,佔90%;而纖維最長的是海島棉;另外還有中棉與草棉,因為纖維較短,只能用來做填充材料。

由於種子容易隨風、隨水散播,中國與印度很早就接觸到棉花。棉花原來是木本多年生植物,經過人為的種植後,出現了一年生草本品系,更促進了它的傳播。不過,由於絲與麻比棉花先到達中國,纖維又比棉花長,使得棉花一直到宋朝以後才因為較溫暖與耐穿獲得重視。而南宋的黃道婆,從海南島帶回紡織棉花的技術,更使得棉紡織在松江地區大大發展。至於歐洲,則要到了十六世紀後才開始大量接觸到棉花做的布料。

在台灣,台南市將軍區曾有「棉被的故鄉」之稱,在清朝時便栽種棉花,日據時面積達六千多公頃。其中苓子寮社區舊稱「棉被窟」,全台棉被廠師傅幾乎全從這裡來。後來因為低價棉進口、以及人造纖維興起,才逐漸沒落;不過在2016年,因為有機棉花興起,台南市的棉花又復耕囉!

棉花如何進入世界歷史

最早栽培棉花的是亞洲人,但最先用棉花紡紗織布的卻是印度人。從印度與孟加拉進口的細棉布,在十七世紀縱橫歐洲市場,銷售量從十七世紀初到末葉增加了五倍,引發了英國絲織業與羊毛製造業的抗議,在1721年通過禁止進口印度彩色細棉布與絲綢。但禁止進口反而引發了英國走向自製棉布的道路,同時也推動了工業革命:從1738年水力紡紗機的發明、到1760年代一次可紡八支紗的珍妮紡紗機出現,以機器進行大量生產的思維就如時代的巨輪般無法阻擋。雖然珍妮紡紗機被當地居民搗毀,但等到1775年瓦特改良蒸氣機,1785年羅賓遜把蒸氣機裝到棉紡廠,加上美國開始種植棉花,英國很快地就從棉布的進口國,轉而成為進口棉花與出口棉布的大國,曼徹斯特也成了英國的「棉都」。棉花推動了工業革命、棉紡織公司是世界最早的上市公司、紡織工廠使人放棄農業活動,成為專業的「工人」。

英國生產這麼多棉布,要往哪裡賣呢?印度!十八世紀下半葉,英國不但不再跟印度買棉布,反而以關稅與稅收條款為手段,大量向印度傾…

玉米如何征服世界?

玉米(Zea mays)原產於中美洲墨西哥的特瓦坎谷地(Tehuacan Valley),為一年生禾本科草本植物,也是全世界總產量最高的重要糧食作物。目前的許多證據都支持玉米大約在一萬年前自大芻草(teosinte,蜀黍)馴化,但是當我們把大芻草與現代玉米放在一起看的時候,很少人能夠聯想到它們之間的關係!

大芻草與玉米的差別極大,代表了在馴化的過程中可能牽涉到了不少的改變。不過,在過去的環境中,大芻草的型態應該跟我們現在看到的「一堆草」有相當的差別;這在2014年的研究已經證實,在仿古氣候(攝氏20.1到22.5度,260ppm的二氧化碳)下生長的大芻草,型態比較類似現在的玉米(1)。

這說明了它在一萬多年前能夠得到人類青睞的原因。畢竟,如果長得像一堆草,加上種子又少又不起眼,很難想像會有誰那麼「飢不擇食」地想吃它。

不過,任何野生植物一旦雀屏中選,成了人們的盤中飧後,接著就會開始受到人的影響。我們喜歡果實大的品種,所以在種植的時候會留下果實大的明年再種;我們懶得一直彎腰撿掉在地上的果實,所以成熟後會自然掉落地面的,就會被我們忽略;我們喜歡味道好的,所以有苦味的品種便被我們給忽略掉了。

玉米在被人們端上桌以後,也歷經了極大的轉變。但是,到底那些基因是分別在什麼時間點受到人擇的影響,就必需要有古代的樣本才能比較了。雖然近年來定序古基因體的技術已經相當成熟,但沒有樣品,也只能望而興嘆。由於植物不具有動物的骨骼,使得要在古代的植物樣本中找到殘存的組織極不容易;更不要說可以定序了。雖然有如大芻草等類似活化石可以比較,但如果能找到介於大芻草與現代玉米之間的樣本,又能從其中取得基因體的資料來進行比較,絕對可以讓我們更了解,到底在植物與人們的互動中,重要的變化是如何發生、何時發生的?

位於美國麻省的羅伯特·皮博迪考古博物館(Robert S. Peabody Museum of Archaeology),剛好就收藏了這樣的一個古老的樣品,而且裡面竟然還有足夠的組織可以讓研究團隊進行基因體的分析。這個樣品在1960年代就已經被發現,並收藏在博物館裡了。研究團隊以質譜儀進行年代測定後,發現它大約是5,310年前的樣本(2)。

研究團隊將這個樣本(特瓦坎162)與現存的兩種大芻草:低地大芻草(Zea mays ssp. parviglumis)與高地大芻草(Zea mays ssp…

「一花一世界,一葉一如來」之白花藿香薊(Ageratum conyzoides L.)

上次看過紫花藿香薊的花,一直想看一下白花藿香薊的花;但是連著好多天都下雨,一直沒辦法出去採花,直到今天雨停了趕緊出去當採花賊~


白花藿香薊是台灣原生種,花朵比紫花的要小得多。這次拔了一整朵的花下來看看。


可以看到放大了以後也是一樣有很多突起,不過白花藿香薊的花瓣形狀比較尖,紫花比較圓。

看一下影片:


想在台灣四季都種草莓

現代的草莓(garden strawberry,Fragaria × ananassa)是在1750年代由北美東部的草莓(Fragaria virginiana)與智利草莓(Fragaria chiloensis,在1714年由Amédée-François Frézier 引進歐洲)雜交育種而來的。現代草莓的產生,使得在歐洲原生種的野草莓(woodland strawberry,Fragaria vesca)式微。

身為溫帶植物,草莓在台灣每年都要重新種植一次;一般來說,草莓在台灣都是在每年的九、十月定植,寒假時便可採收。但是在有些不若臺灣那麼熱的地區,草莓其實是多年生植物。是否有可能在臺灣也可以四季都種草莓呢?

位於新竹的工業技術研究院,與慈大生科的周帛暄老師個人網頁),嚐試著在不同品系的草莓中,找出能讓草莓在台灣四季都可種的遺傳因子。原來,有些品系的草莓的確比較耐熱;周老師經由分析草莓的轉錄體(transcriptome),先找到草莓的熱休克轉錄因子(heat shock transcription factor),再以定量聚合酶反應分析(qPCR),比較耐熱品系與一般品系之間的熱休克轉錄因子表現量的差異。

周老師發現,在耐熱品系草莓中找到表現量較高的熱休克轉錄因子,轉入擬南芥(Arabidopsis thaliana)中,也會讓擬南芥的耐熱能力提高;未來工研院希望可以將這些熱休克轉錄因子做為育種時的分子標誌,如此一來可以加快耐熱品系育種的速度,或許再過幾年在台灣一年四季都可以種草莓呢!

【原來作物有故事】菸草 世界上最致命的植物

生活中的菸草

有一種植物,每年奪走540萬人的性命。但是它竟然可以合法販賣!它是什麼呢?菸草!全球有980萬英畝的土地用來種煙草,每天全球有13億人吸食它的煙。喜歡它的人說:「飯後一支煙,快樂似神仙。」,不喜歡它的人,只要有人吸煙,立刻就躲得遠遠地。

最早開始抽煙的馬雅人,是以玉米葉裹著菸草來抽;後來有人發明了煙管與煙斗,還有把菸草碾碎成粉、放進鼻孔裡的鼻煙。紙煙則是到1832年土耳其與埃及之戰時才發明的。一個埃及砲手發明了用紙包裹火藥的方式來提升大砲的威力,因此獲得了菸草作為獎勵;但不幸他的煙斗卻破了。於是他用包火藥的紙來包裹菸草,紙煙就這樣問世了。原本紙煙都是人工捲煙,但是美國的詹姆斯‧布坎南‧杜克在1867年引進自動捲菸機,造成紙煙的價格大幅下跌,紙煙便成了最普及的菸草產品囉!

雖然抽煙有提神的效果,但是菸草含有會使人上癮的尼古丁,這也就是為何吸煙容易戒煙難;而尼古丁會使人上癮的事實,卻一直被菸草公司隱瞞著,直到1996年才被公諸於世。

我們現在都知道吸煙對健康有害,會導致肺癌、咽喉癌與口腔癌等,但因為要大約20年才會產生癌症,一開始大家都不知道吸煙對我們健康的損害是這麼大喔!由於吸煙不只是對自己的健康有害,吸到他人吐出來的二手煙也會影響健康,台灣已經在2007年通過「菸害防制法」,並於2009年1月11日施行,只要是室內公共場所或三人以上的工作場所,都不可以吸煙,否則至少要罰兩千元喔!

菸草如何進入人類歷史

菸草起源於美洲、澳洲、西非以及南大洋洲。美洲大陸的原住民認為菸草是上天賜給的禮物,是神聖的草。中南美洲的馬雅人,早在公元前1500年便已經開始吸煙了。他們不管是戰爭、狩獵、和談、祭祀,都要用到菸草,馬雅甚至還有「吸菸神」呢!馬雅人吸煙,印加人則是把菸草與古柯葉放到嘴裡咀嚼。

第一個看到菸草的歐洲人應該是哥倫布,後來不同的人把菸草帶回歐洲各國,使它風行歐洲。歐洲一開始只是把菸草當作印地安人的草藥,等到西班牙的藥物學書籍在1577年被翻譯為英文後,因為裡面提到菸草的藥效;使菸草的藥性開始被重視、甚至被認為可以治百病。在1644-66年倫敦鼠疫大流行時,由於傳說菸草店的員工都沒有得到鼠疫,造成菸草大為風行,甚至連兒童也被迫吸菸呢!

而英國在美洲新大陸的殖民,若不是因為菸草,恐怕美國要晚很多年才會在世界地圖上出現。原來從十六世紀後期開始,英國一直嘗試移民北美新大…

「一花一世界,一葉一如來」之蝴蝶之舞

蝴蝶之舞(Kalanchoe fedtschenkoi)是一種蠻常見也很好養的多肉,不過養到開花也是第一次。
因為也頭一次看到它開花,覺得它的花花瓣薄薄的蠻透光,應該也可以在顯微鏡下面看。

手機顯微鏡如果用後鏡頭,就是用樣本貼紙(如上)把樣品貼好以後放在光源載台上觀察。如果樣本是乾的(如蕨類的孢子),看完後還可以貼到跟著手機顯微鏡來的記錄本上,寫一下採集日期跟樣本種類;若是濕的(如本篇的花瓣),看完就只好扔了。
有興趣要買的可以按這個連結購買。








「一花一世界,一葉一如來」之小金英

小金英(Ixeris chinensis (Thunb.) Nakai)是台灣路邊常見的野草,學校的操場邊、山間總是可以看到它的蹤跡。


它也是民間常見的草藥,有人說它可以抗癌等等...不過真的生病還是要先看醫生,聽聽醫生怎麼說才是最好的。

它的種子是具有白色冠毛的瘦果,果實成熟後會藉著冠毛隨風飛散。

因為有億觀生技的 μHandy 手機顯微鏡(購買連結),這天去採了小金英的果實來看。

瘦果的部分最後在影片會看到(反正黑黑的也看不到什麼),但是冠毛在顯微鏡下真的很美!

放大37倍(上圖)已經可以看到,肉眼看似平滑的冠毛其實有很多突起。

放大250倍的冠毛,可以很清楚看到尖端不是平的。小金英的冠毛應該跟棉花的棉絮一樣,都是單細胞的構造。

放大到三百倍可以看到冠毛那些突起也都具有尖銳的尾端。

最後讓大家看看影片,顯微鏡下的世界真的是令人嘆為觀止啊。


在手機顯微鏡下看這些很平常的小東西真的很有趣。紫花藿香薊的花瓣也讓我大吃一驚!相對於傳統的顯微鏡,手機顯微鏡價格親民、操作方便,拍照也很容易,不若傳統的顯微鏡還要買一堆外接相機的設備...對於滿足好奇的心靈是很棒的設備。有興趣的朋友可以點這個購買連結