跳到主要內容

提升飲食中的類胡蘿蔔素的新方法

知道10月16日是世界糧食日(World Food Day)嗎?根據世界衛生組織的資料,維生素A缺乏每年導致25萬至50萬兒童失明,其中有一半的孩子在失去視力之後的一年內死亡。問題最嚴重的地區在撒哈拉以南非洲地區(Sub-Saharan Africa),在這裡白玉米是主食,但是白玉米所含的原維生素A(provitamin A,又稱為β-類胡蘿蔔素,人體可以轉化為維生素A)極少。

β-類胡蘿蔔素。圖片來源:wiki
除了造成兒童失明以外,飲食中的類胡蘿蔔素不足也可能會導致老人的黃斑變性(macular degeneration),這在歐洲和美國是導致老年人失明的主要原因。除了跟眼睛健康有關以外,維生素A對免疫系統也非常重要,另外也跟一些賀爾蒙的合成有關。

過去,為了改善非洲居民飲食中缺乏類胡蘿蔔素的狀況,Ingo Potrykus與Peter Beyer兩位博士,在1992年開始了一個為期八年的奮鬥:將整個合成類胡蘿蔔素的途徑(共計四個基因),以轉殖的方法送入稻米中。

雖然他們最後成功的製造了「黃金米」(golden rice),但是黃金米卻不受社會大眾青睞。綠色和平組織首先公開反對黃金米的栽種與食用,而民眾受到廣大輿論的影響,也都認為黃金米對人體無益有害,甚至在去年(2013)8月8日,當第二代的黃金米在菲律賓呂宋島試種時,也遭到當地民眾破壞

在2008年,Ingo Potrykus博士受訪時,曾經很洩氣地說,不知道他有生之年是否能看到黃金米被正式種植在田裡、端上餐桌,來改善非洲孩子的營養狀況。雖然黃金米因為轉殖的因素使它不被接受,但就改善非洲孩子的營養狀況這方面,最近普渡大學的研究團隊似乎有了好消息。

普渡大學的Torbert Rocheford博士以及他們的研究團隊,在玉米中發現了兩組基因,可在自然狀況(非轉殖)下提升玉米的維生素A含量,這個發現對於發展中國家對抗維生素A缺乏症以及老人視網膜黃斑變性可能會大有幫助。透過選擇適當的基因變異,讓營養差的白玉米轉為有高水平的前維生素A(provitamin A,人體可以轉化為維生素A)的橘色生物強化玉米。

各種不同的玉米。圖片來源:wiki

雖然早已經有能夠表現類胡蘿蔔素的玉米品種,但因為它是黃色的,而在非洲當地,黃色玉米是給動物吃的。因此,非洲居民對於黃色玉米接受度很低。 

所以,雖然先前研究團隊已經發現了兩個跟類胡蘿蔔素合成相關的基因(lcyEcrtRB1),但是研究團隊並不覺得可以就此打住。這次,他們找了200個品系的玉米,運用統計分析及預測模型,終於又發現了兩個跟類胡蘿蔔素合成相關的基因組:zep1lut1。而在這兩個基因組中,研究團隊找到了兩個相關的基因:dxs2lut5

普渡大學的Rocheford博士,與他的橘色玉米。
圖片來源:Purdue
研究團隊說,用視覺來選擇顏色偏深橘色的玉米,對照上玉米基因體的資訊,再以統計分析的方法來預測,不僅幫助他們培育出富含類胡蘿蔔素的深橘色玉米,也讓研究團隊找到更多在玉米中與合成類胡蘿蔔素相關的基因們。

目前已有許多不同的橘色玉米品種在贊比亞、辛巴威、奈及利亞和加納生長。預計在2016年,會有可以開放授粉的品種在美國種植。

雖然Potrykus博士或許無法在有生之年看到他的黃金米被種植在田間,但是普渡大學的新種玉米已經在非洲生長,而除了新種的玉米之外,台灣的農試所歷經9年時間,以誘變育種的方式由台農67號,選種培育出含有五種類胡蘿蔔素的台農76號黃金米,雖然它的類胡蘿蔔素含量尚未確認,但是這新種的稻米,應該也是改善非洲居民營養狀況的好方法之一吧!

台農76號黃金米。圖片來源:西螺鎮農會
(臺大科教中心擁有此文版權,其他單位需經授權始可轉載)

參考文獻:

Natural gene selection can produce orange corn rich in provitamin A for Africa, U.S. Purdue University.

留言

這個網誌中的熱門文章

為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

首先,我們來看一下氣候。陶淵明隱居的地點在潯陽柴桑,也就是現在的江西省九江市星子縣。當地是北緯29.44度,在北回歸線以北,屬於濕潤型亞熱帶氣候(2),1971-2000的年平均溫度為攝氏17.03度,每年四月就不再有攝氏零度以下的低溫(3)。雖然還是比臺灣偏北(台北市是北緯25.02度),大致上還是屬於溫和的氣候,植物的種類應該也不會相差太多。即使考慮近年來全球暖化的問題,應該也不會超過攝氏一度(4)。

在亞熱帶的台灣,夏天通常並不是植物茂盛生長的時期。為什麼呢?因為世界上90%的陸生植物是C3植物,這些植物在氣溫超過攝氏30度時,會因為光呼吸作用(photorespiration)造成水分的消耗大量上昇。C3植物(如大豆)在攝氏30度時,每抓一個二氧化碳分子就要消耗833個水(5),於是植物的生長速度就開始變慢。

不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

原來玉米與甘蔗是所謂的C4植物,它們既耐熱又耐旱,跟C3植物比較起來,在攝氏30度時C4植物每抓一個二氧化碳的分子只消耗277個水(5),所以夏天的時候,它們的生長速度ㄧ點都不受影響呢!
說到這裡,讀者可能會想:什麼是C4植物?為什麼它們能夠既耐熱又耐旱呢?
所謂的C3、C4植物,指得是它們在光合作用上的不同。C3植物進行光合作用時,是由卡爾文循環(Calvin cycle)的酵素(RuBisCo,如圖二)直接抓取溶解在細胞中的二氧化碳,與核酮糖1,5-二磷酸(ribulose 1,5-bisphosphate,RuBP)進行反應;


而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


原來,C4植物多半都生活在亞熱帶或熱帶,在這些氣候區,植物進行光合作用時,會遇到一個大問題。

這個問題來自於卡爾文循環的第…

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】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…