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發現植物對抗UVB的武器之一:芥子酸酯(sinapate esters)

植物如何避免自己被曬傷?不知道有多少人認真想過這個問題。筆者的一位同事,有個非常可愛的小朋友;有一次,她問我為什麼植物每天站在太陽下面那麼久,也沒有撐傘、擦防曬,也不能跑到屋子裡面躲起來,怎麼都不會曬黑呢?

其實植物如果過度曝曬,也是會曬傷的;但是植物曬傷不會曬黑,而是曬白。聽起來好令人羨慕不是嗎?

先別羨慕,其實植物曬白了也是曬傷,由於接收了太多的光子,造成光合作用的電子傳遞鏈產生電子大塞車,

光合作用之光反應。圖片來源:wiki
塞車的地點主要位於PQH2的部分,因為當它由第二光系統(photosystem II,PSII)接收到電子時,接下來要靠它自己在類囊體膜(thylakoid membrane,如圖所示之膜即是)以擴散作用慢慢的移動到細胞色素b6f(cytochrome b6f)處,將電子交給細胞色素後,再回去PSII接收下一對電子。

由於這個步驟僅能以擴散作用來進行,因此PQH2要花費幾個毫秒(millisecond,ms)才能將電子送到細胞色素b6f那裡。毫秒就是千分之一秒,看起來似乎很短;但是,如果跟PSII裡面的色素間的能量傳遞速度相比,毫秒其實是非常慢的。怎麼說呢?原來,在PSII裡面進行的能量傳遞,只需要幾個微秒(microsecond,μs)就傳過去了。微秒是毫秒的千分之一喔!所以,當有過多的光子(陽光太強)的時候,自然就會在PQH2發生大塞車啦!

塞車的結果就是:有些PQH2上面的電子就會開始離開,到處亂跑,去還原其他不該被還原的分子,然後最後葉綠體就會因為這樣而被燒壞,等到整個細胞的葉綠體都被燒壞,那顆細胞也死了,然後...這樣死掉的植物細胞,因為沒有色素而變成白色...所以就「曬白」了!

植物當然不想被曬傷,我們會為了避免被曬傷而合成黑色素,植物為了避免被曬傷,變出了很多花樣來保護自己。這些花樣包括:讓葉綠體「疊羅漢」以及合成許多可以吸收多餘的光能的分子等等。

讓葉綠體疊羅漢這部分,因為考慮到文章的長度,所以在這裡我們就先不提;第二個部分,過去已經知道,植物裡面的葉黃素(xanthophyll)以及類胡蘿蔔素(carotenoid),還有類黃酮素(flavonoids and isoflavonoids)都具有這方面的功能。而最近,法國的一個研究團隊又發現一族新的化合物也擔任類似的角色:芥子酸酯(sinapate esters)。

芥子酸(sinapic acid)。圖片來源:wiki
芥子酸酯屬於植物次級代謝物中的酚醛類(phenylpropanoids)化合物,在植物中與肉桂酸(cinnamates,肉桂的味道就是來自於肉桂酸)在化學性質上最相近,都是屬於木質素(lignin)一類的化合物。研究團隊們在植物內找到七種芥子酸酯類化合物,當他們把這些芥子酸酯們氣化,再以UVB波照射以後,發現這些分子都能夠吸收UVB,且整體涵蓋的範圍遍及整個UVB的波長。因此,研究團隊認為芥子酸酯也可以協助植物對抗UVB,免於植物被曬傷。

其實,植物為了避免被曬傷,真的是非常用心呢!除了上面所提到的各種化合物以外,植物裡面也還會合成大量的維生素C(vitamin C)來抗氧化,所以不要以為植物不會動,就只能無奈地站在那裡被「曬白」喔!

參考文獻:

2014/10/29. Why plants don't get sunburn. Science Direct.
Jacob C. Dean, Ryoji Kusaka, Patrick S. Walsh, Florent Allais, and Timothy S. Zwier. 2014. Plant Sunscreens in the UV-B: Ultraviolet Spectroscopy of Jet-Cooled Sinapoyl Malate, Sinapic Acid, and Sinapate Ester Derivatives. J. Am. Chem. Soc. 136 (42), pp 14780–14795.
Taiz and Zeiger, Plant Physiology. 5th. ed.

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植物是地球的能量工廠

地球上最重要的反應應該就是光合作用(photosynthesis)了,就如植物的頂芽生長點是地球上最重要的組織一般。這是由於地球上的異營生物無不依靠自營生物作為直接或間接的食物來源,而自營生物的養分幾乎都是由光合作用而來。
葉片是獲取能量的小尖兵
自營生物的器官衰老是非常複雜的機制。在秋天撿起一片地上的黃葉,與仍在樹梢上翠綠的葉子相比,會發現黃葉的重量較同等大小的綠葉輕很多;這是因為植物會將衰老葉片中剩餘的、可利用的物質分解後運回,提供其他組織再運用。不若異營生物,由於每一個器官、組織都需要由自己生產的能量來製造,因此自營生物在淘汰老廢器官與組織時,一定會將殘餘的養分盡可能的回收。汰舊換新對所有生物都是一整年的工作,但對於多年生的落葉樹來說,每年春秋二季會發生大規模的迎新去舊,是它們一年兩次的大工程。
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抽絲剝繭光系統的運作
在葉綠體的類囊體膜(stromal membrane)上,可以…

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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】鳳梨 漂洋過海在臺灣發揚光大

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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…