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從基因體視角探索竹子(Bamboo)的演化奧秘

  草本竹子 Olyra latifolia 。圖片來源: 維基百科 你知道全世界除了歐洲以外,都可以找到竹子嗎?尤其在亞洲,那是竹子的大本營,其次是中南美洲、非洲。全世界有一千六百種以上的竹子,分布在一百二十一屬中。 這些竹子,從極大的巨龍竹( Dendrocalamus sinicus )到小小的草本竹子,都是禾本科的植物。但是,它們的型態為什麼可以差這麼多呢? 最近有一個研究團隊,想瞭解不同的竹子為什麼可以有這麼大的差別,於是,它們選取了十一種竹子。這些竹子有兩種是草本,九種是木本。 更有趣的是,草本的竹子都是二倍體,而木本的竹子有些是四倍體、有些是六倍體。這些竹子包括: 草本竹(二倍體) 1. Olyra latifolia 2. Raddia guianensis 溫帶木質竹(四倍體) 3. Ampelocalamus luodianensis 4. Hsuehochloa calcarea 5. Phyllostachys edulis (毛竹) 新熱帶木質竹(四倍體) 6. Rhipidocladum racemiflorum 7. Otatea glauca 8. Guadua angustifolia 古熱帶木質竹(六倍體) 9. Melocanna baccifera (梨果竹) 10. Bonia amplexicaulis 11. Dendrocalamus sinicus (巨龍竹) 這十一種竹子涵蓋了從草本到木質化的不同演化階段,提供了獨特的視角來研究竹子基因體的演化、多樣性及其在環境適應上的策略。藉由對這些不同倍數級別和生態類型的竹子進行比較,研究團隊試圖了解多倍體化過程中基因體的動態變化、亞基因組間的互動以及這些過程如何影響竹子的生物學特性和適應性。 研究團隊首先解析了十一種竹子基因體的序列,透過對這些基因組的分析,研究團隊發現所有木質竹的四個亞基因體(A、B、C、D)以及草本竹的H基因體。這些基因體的分析顯示,竹子在其演化過程中保持了驚人的染色體穩定性,儘管存在染色體的裂解和融合事件。 多倍體常常會有所謂的「基因體優勢」,也就是說當兩種不同的植物雜交產生多倍體後代後,其中一種植物的基因的表現會特別強勢。在竹子,研究團隊也觀察到了這個現象。在木質竹中,C亞基因體在四倍體竹中展現
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山茶屬植物(Camellia)的氣味溝通術

  山茶。圖片來源: 維基百科 植物能靠著氣味進行溝通,這已經不是新聞了。不過,過去的實驗都是測試同種植物之間的溝通,不同種植物好像還沒有測試過。 最近日本的研究團隊測試了同為山茶屬( Camellia )的兩種植物之間的溝通。這兩種植物一種是山茶( Camellia japonica ),另一種是雪山茶( C. rusticana )。 首先,研究團隊將植物分成三組:「剪切組」、「控制組」、「剪切並封袋組」。每組由兩株相鄰的植物組成,這兩株植物上他們選擇了三個分枝:一個作為受損處理的分枝(被稱為「處理分枝」),另外兩個分枝分別來自同一植物(「同植物檢測分枝」)和隔壁植物(「隔壁植物檢測分枝」)。 然後,控制組不處理,只標記分枝;剪切組則將一半的葉子剪掉以模擬損傷,並使揮發性化合物從被剪切的葉子中散發出來;剪切並封袋組則在剪切後用塑膠袋封住損傷部位,阻止揮發性化合物的釋放。 剪切並封袋組,他們將處理分枝(人為剪切後)包裹在塑膠袋中24小時來收集揮發性化合物。然後,將收集到的空氣(含揮發性化合物)轉移到被新塑膠袋覆蓋的檢測分枝上。這些檢測分枝便會接收來自剪切處理的揮發性化合物,以研究其對植物防禦反應的影響。 接著,研究團隊讓植物自然地生長在環境中,過一段時間後(例如,一個月)檢查所有分枝的受損情況,包括處理分枝、同植物檢測分枝,以及鄰近植物檢測分枝。他們細分不同類型的損傷(如咀嚼、病害、葉礦蟲、介殼蟲和捲葉),透過統計方法分析損傷數據,來確認之前的人工處理是否顯著減少了植物的受損程度。 結果發現,當植物暴露於來自已損傷植物的揮發性化合物時,它們的抗性確實得到了提升。這意味著植物間能夠透過揮發性化合物進行的溝通不僅可以傳遞「警報信號」,還能夠活化鄰近不同種植物的防禦機制,從而增強它們對植食性昆蟲和病原體的抵抗力。而且,這種透過揮發性化合物傳達的抗性效果可以持續三個月之久。 當然,這個論文只測試了同屬不同種的植物。接下來應該要來測試一下同科但不同屬也不同種的植物、甚至可以測試不同科之間的植物! 參考文獻: Sakurai, Y., Ishizaki, S. Plant–plant communication in Camellia japonica and C. rusticana via volatiles. Sci Rep 14, 6284 (20

3D列印木質家具:一種環保的選擇

  圖片來源:Sci. Adv. 生產木質器具的時候,總是會產生大量木屑與邊材。這些總是被當成廢棄物,比較好的下場是回收用來做堆肥(可能還有其他的用途,但因為我不在業界,所以無法舉更多例子),比較不理想的大概就是被丟掉吧。 由於取得木材需要砍樹,而種植一棵樹又需要時間,砍樹所造成的影響也不小,能不能不砍樹呢? 對有些人來說,可能用什麼器具都一樣;但是木質器具所提供的感覺,對有些人來說是不可取代的。 隨著3D列印技術逐漸成熟,有研究團隊就想到:為何不用3D列印技術來製作木質家具呢? 在最近的一項研究中,研究團隊便採取創新的方法,將木屑、邊材等副產物轉化為三維列印的原材料。他們萃取出木質素與纖維素奈米晶體(CNCs),再利用於製作列印墨水。 研究團隊透過直接墨水寫入的方式,利用細胞素奈米晶體(CNCs)和經氧化處理的纖維素奈米纖維(TOCNs)來模仿天然木材中的結晶和非結晶纖維素部分。經過最佳化,墨水的組成與天然木材非常相似,也展現了適合三D列印的性質。在列印過程中,墨水透過高壓力擠出來形成所需的結構。之後,透過冷凍乾燥和熱處理,可以移除水分並促進木質素的融合,從而增強結構的穩定性和堅固度。 這樣印出來的家具,與天然木材比較,有沒有比較好呢? 研究團隊對列印木材的機械性能進行了測試,包括壓縮和彎曲試驗。結果顯示,透過熱壓處理後的列印木材,在壓縮強度、彎曲強度(斷裂模數)和彎曲模數這幾項機械性能上超過了天然木材。具體來說: 壓縮強度:雙向熱壓(Y&Z 和 Z&Y)處理後的列印木材顯示出比天然巴爾薩木(Balsa wood)具有更高的壓縮強度,分別提高了182%和162%。 彎曲強度(斷裂模數):相比於天然巴爾薩木,經過雙向熱壓處理的Y&Z和Z&Y列印木材在斷裂模數上分別增加了222%和198%。 彎曲模數:在彎曲模數方面,經過雙向熱壓處理的Y&Z和Z&Y列印木材分別比天然巴爾薩木提高了1571%和1254%。 這些測試結果意味著,透過熱壓處理後的列印木材不僅在視覺和質感上接近天然木材,而且在某些關鍵的機械性能方面甚至超越了天然木材,顯示出該技術在製作高性能木材結構方面的巨大潛力。 為什麼要與巴爾薩木做比較呢?巴爾薩木是一種生長於中南美洲的輕質木材,學名為Ochroma pyramidale。它以其非

少了鑰匙孔,一樣能開門:植物TIR-only蛋白的秘密

  圖片來源: Nature 動物的免疫系統有Toll-like receptor (TLR),負責識別入侵的病原體等,是動物的先天免疫反應的重要成員;但是,植物也有喔!植物的TIR(Toll/Interleukin-1 receptor)也是負責識別入侵的病原、傳遞信號、調節免疫反應。 不過,植物的TIR可分為兩大類。一類前端具有TIR領域,而後端含有能夠識別特定配體的感應域(ligand-sensing domains),這使得它們能夠識別特定的病原體蛋白。當它們識別到特定蛋白後,就會啟動植物的免疫反應, 但是,另一類的植物的TIR卻沒有後端的感應域,被稱為TIR-only蛋白。沒有感應域,這類的蛋白真的有功能嗎?最近發表在《自然》期刊上針對RPP1-TIR所做的研究報告,提供了一個全新的視野。 首先,研究團隊發現,這個蛋白的酵素活性需要相對較高的蛋白濃度才能顯著增加,這暗示了一種濃度依賴的酵素活性,促使研究團隊進一步探究TIR蛋白是否具有相分離活性。 接著,在含有擁擠劑並在低鹽條件下,研究團隊向蛋白的溶液中加入NAD + 或ATP基質,並利用共軛焦顯微鏡觀察蛋白質的行為。結果顯示,添加NAD + 或ATP後,這個蛋白在體外能形成多個液態狀的凝聚體,證明了這個蛋白的確具有相分離能力。進一步的實驗結果顯示,這些凝聚體內部具有高度的動態性,符合液-液相分離產生的凝聚體特性。 但是,在試管裡( in vitro )能形成凝聚體,在植物裡( in vivo )也能嗎? 研究團隊在植物體內進行了觀察,發現在植物細胞內,這個蛋白也被觀察到能與病原體形成類似的凝聚體,這證明了在自然條件下TIR-only蛋白質也能通過相分離來調控免疫反應。 此外,當研究團隊在這個蛋白裡導入突變來干擾TIR-only凝聚體的形成時,他們發現這個突變會損害TIR領域蛋白引發的細胞死亡活動。研究結果顯示了這些TIR-only蛋白以相分離作為一種機制,促進TIR-only蛋白的活化,並提供了基質誘導的TIR信號自主活化以賦予植物免疫反應。 所以,這項研究不僅發現了一種新的植物免疫活化機制,即透過相分離來活化免疫反應,也為理解植物如何應對病原體入侵提供了新的視角。這些發現有望在未來促進開發新的植物保護策略,提高作物對病害的抗性。 參考文獻: Song, W., Liu, L., Y

稉稻(japonica)能在低溫下照常發芽的秘密

  圖片來源:Nat. Comm. 亞洲的水稻大致可以分為兩個亞種:稉稻(japonica)與秈稻(indica)。一般來說,稉稻出現在緯度較高的區域(如日本),而秈稻則分布於緯度較低的區域(如中國南方與東南亞)。至於台灣,則因為受到日本統治50年的關係,大家都比較習慣食用稉稻。 這兩個亞種的水稻,一般來說稉稻比較怕熱;但是稉稻其實也比較耐冷。在攝氏15度時,大部分的稉稻種子還是可以發芽,但是秈稻的種子發芽率就大幅降低。 究竟是為什麼導致這麼大的不同呢?最近中國的研究發現,原來是一個稱為OsUBC12的E2泛素連接酶被轉位子(transposon)在啟動子區域(ATG上游第542個核苷酸)插入造成的結果。 這個轉位子的插入,造成OsUBC12的表現大幅上升。接下來,由於OsUBC12會對OsSnRK1.1進行泛素化,當OsSnRK1.1泛素化之後,就會被送去分解掉。 OsSnRK1.1被分解掉,會發生什麼事呢?原來OsSnRK1.1是一個蛋白質激酶,負責正向調節離層酸(ABA)信號,增強種子對ABA的反應,從而抑制種子的發芽。當OsUBC12的量因為轉位子的插入而增多,使得更多OsSnRK1.1被分解時,就會造成細胞中OsSnRK1.1的減少,於是減弱了ABA訊息傳導,使種子在低溫條件下更容易發芽。 當研究團隊把這個變異導入秈稻以後,秈稻在低溫下的發芽率也大大提升了。 到底這個轉位子是怎麼來的呢?研究團隊分析了許多品系的水稻後發現,這個轉位子插入的變異,可能是來自於秈稻與稉稻之間的雜交育種。 這一發現不僅為理解E2泛素連接酶在植物ABA信號傳遞中的作用提供了新見解,也為改進稉稻在低溫條件下的發芽能力提供了潛在的遺傳資源。這對於水稻的生長發育和生態適應性研究具有重要意義,尤其是在面對全球氣候變遷,提高作物抗逆性的當下背景下尤為重要。 參考文獻: Zhang, C., Wang, H., Tian, X. et al. A transposon insertion in the promoter of OsUBC12 enhances cold tolerance during japonica rice germination. Nat Commun 15, 2211 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-0

發現合成葉綠素c的酵素

  葉綠素c2。圖片來源: 維基百科 在大學學過光合作用的人都知道,高等陸生植物有兩種葉綠素:葉綠素 a 與葉綠素 b 。但是,海洋的藻類有葉綠素 c 。 葉綠素 a 與葉綠素 b 的最大吸收波長分別是430, 662與453, 642奈米。但是葉綠素 c 的最大吸收波長是447-452奈米。因此,與葉綠素 a 、 b 不一樣的是,葉綠素 c 是藍綠色的。它吸收的光為何會如此不同呢?原來是因為海水會吸收紅光,所以海中的植物不能像陸生植物一樣吸收紅光,必須去開發其他波長的光來進行光合作用。 因此,葉綠素 c 成為藻類的一個「特徵」,在鑑別植物樣品是不是藻類時,科學家們都會驗葉綠素 c 。 但是,葉綠素 c 是怎麼合成的?過去的研究,已經解開部分的謎題;最近美國加州大學的研究團隊,在研究一種褐藻( Breviolum minutum )時,發現了合成葉綠素 c 的基因。 研究團隊一開始其實是想瞭解與珊瑚蟲共存的藻類。他們想瞭解這些藻類如何進行光合作用,於是他們將這種藻類進行誘導突變,分離出顏色不一樣的突變株。其中一株,被他們稱為 lbr1 (lbr是less brown「不那麼褐」的意思), lbr1 是淡黃色的,且無法進行光合自營生長,必須靠外加養分才能生存。 分析發現, lbr1 不能合成葉綠素 c 2 。透過對 lbr1 突變株轉錄組的定序分析,研究團隊發現了至少79個可識別的突變。其中一個單核苷酸的缺失導致了一個基因( s6_3623 )發生移碼突變。這個基因產生一個蛋白質,預測包含有定位到葉綠體的序列、葉綠素a/b結合域以及2-氧代戊二酸-Fe(II)雙加氧酶(2OGD)家族域。這些發現顯示,這個基因的突變與 lbr1 突變株缺乏葉綠素 c 生產的性狀直接相關。 想要瞭解一個基因的功能,最直接的就是把它放回去突變株,看看突變株會不會恢復正常。但是,因為目前還沒有辦法轉殖這種褐藻,研究團隊退而求其次,把它轉殖到煙草裡面。結果轉殖的煙草就開始生產一個新的色素,波長與葉綠素 c 2 一樣,於是研究團隊就把這個基因命名為葉綠素 c 合成酶(CHLOROPHYLL C SYNTHASE, CHLCS )。 研究團隊還進一步研究了一下葉綠素 c 合成酶,發現它必須要在葉綠體裡面才能合成葉綠素 c 。如果把它的葉綠體定位序列破壞,它就不會出現在葉綠體裡面、也

植物染色體甲基化(methylation)與育種之間的關聯

  DNA甲基化。圖片來源:維基百科 眾所周知,育種(breeding)是將兩個不同的品系的同種生物雜交後,經過選擇找出具備兩者優點的新品系。 聽起來好像不難,但是中間牽涉到很多眉眉角角。以植物為例:首先要知道這個植物的花什麼時候開。有些植物(如水稻)是一大早開花,很快花粉就失去活性,所以要幫水稻雜交一定要早起。而有些植物則是雌雄花在不同的時間點開花(例如南瓜是雄花先開),所以如果運氣不好,可能兩株南瓜連一朵可以授粉的雌花都找不到。更不要說有些植物有所謂的「自交不親和」,如果你想要雜交的兩個品系剛好是同一類型的,那麼就不會成功了。 好不容易完成雜交,接下來的工作就是交給植物了。什麼樣的工作呢? 要產生我們想要的、具備兩者優點的新品系,需要雜交第一代的植物在產生雜交第二代時,父母本的基因發生「互換」。學過減數分裂就知道,在生物產生配子(生殖細胞)時,同源染色體(也就是來自父母的、攜帶同樣的基因的染色體)會發生聯會,而這時候就會有機會染色體之間發生互換。 發生互換以後,才能達成所謂的「我泥中有你,你泥中有我」的境界。但是,科學家發現,不是染色體的任何一個區域發生互換的機率都是相等的。在染色體上的有些區域,特別容易發生互換,被稱為所謂的「熱點」。當然,也有特別不容易發生互換的區域,但是好像就沒有特別的名稱(「冷點」?!)。 到底為什麼會有「熱點」呢?哥倫比亞的科學家們研究了水稻發現[1],水稻互換的熱點與所謂的「CHH」序列有關。 什麼是「CHH」序列呢?CHH序列指的是DNA中的特定核苷酸序列,其中「H」代表除了G(鳥嘌呤)以外的任何核苷酸(A、T或C)。所以,CHH序列包括CAA、CAT、CAC、CTA、CTT、CTC、CCA、CCT和CCC等多種可能的組合。 研究團隊對於這樣的現象感到好奇,想知道水稻的這個現象能不能進一步擴展到其他的植物;於是他們看了阿拉伯芥、番茄、高粱、玉米[2]。他們收集了這些植物的DNA,分析了甲基化的序列,然後用機器學習模型去找出規律。 結果顯示,在某些植物物種中CHH上下文的甲基化與重組率之間存在正相關,CG和CHG甲基化上下文則顯示出與重組率的負相關。甲基化數據在預測高粱和番茄的重組中特別有效,平均決定係數分別為0.65±0.11和0.76±0.05,這確認了單子葉和雙子葉物種中甲基组的重要性。 雖然研究團隊發現甲基