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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.

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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…

【原來作物有故事】麵包樹 熱帶果實引發電影傳奇

第一次聽到麵包樹的名字,是在小學的校園裡。當時老師說麵包樹雖然果實真的長得像麵包,但因為台北太冷了,原生於熱帶的它沒辦法在台北開花結果。

後來在花蓮當老師時,發現學校餐廳夏天有時會出現一種特別的蔬菜湯:裡面有黃色果肉、白色種子的「菜」。在地的同事告訴我,那叫做「巴吉魯」,也就是麵包樹的果實。

花蓮的夏天總是不缺「巴吉魯」,不只市場裡有賣、有些人家的院子裡就有麵包樹。在地的朋友說,成熟的果實削皮切塊加點小魚乾煮湯很好喝,長不大的果實(雄花花序)用來燃燒驅蚊,據說比蚊香還有效。

麵包樹是桑科波羅密屬的多年生大型喬木,花為單性花,雌雄同株;果實是由30-68朵雌花所形成的多花果。麵包果通常在採收後五天到一週內食用最好吃,如果冷藏可以保存二到三週。

目前的研究認為麵包樹源自大洋洲新幾內亞、馬來半島、與西密克羅尼西亞。台灣的麵包樹原生於蘭嶼。在蘭嶼,麵包樹稱為“chipogo”,達悟族人用於製作船首、船尾板、坐墊,及住屋用的宗柱、主屋之踏腳板與木笠、木盤等用具,而分泌的乳白色汁液具黏性,可以當作粘接劑。

達悟族較少食用麵包果,倒是台灣東部的阿美族與太魯閣族經常拿麵包果來吃;不過太平洋群島上最常見的吃法應該是將麵包果放在鋪了葉片的坑洞內發酵成可以放二、三年的「果醬」。由於太平洋群島夏季常有颱風,這些「果醬」對各地原住民們是颱風後很重要的緊急糧食。既然麵包樹這麼重要,「南島語族」(包括台灣的原住民)不論坐船到哪裡,總是帶著麵包樹的種子。所以,麵包樹在太平洋各群島上是常見的風景。

第一個看到麵包樹的歐洲人應該是十六世紀末到十七世紀初的葡萄牙航海家佩得羅‧費爾南德斯‧德‧基羅斯。比他晚將近一百年的英國航海家威廉‧丹皮爾船長,他提到麵包樹的果實可以烤來吃。

到了十八世紀,麵包樹突然搖身一變成了「神奇糧食」。到底發生了什麼事呢?原來在1769年與庫克船長乘「奮進號」的英國植物學家班克斯爵士在大溪地看到了麵包樹,因為麵包樹的果實約有四分之一為澱粉、在熱帶地區又長得很好,使班克斯認為麵包樹可能是解決英國在牙買加殖民地奴隸營養問題的解答。於是在1787年,英國皇家科學院派遣邦迪號前往大溪地收集麵包樹帶到加勒比海群島種植。為了這個目的,船上還有一位隨船的植物學家大衛‧尼爾森。

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通風報信的植物

植物受傷時會有什麼反應?過去的研究讓我們瞭解,當植物被攻擊(受到病原菌感染、受傷)時,會釋放出揮發性有機物質(VOCs,Volatile Organic Compounds),讓自己以及附近的植物啟動防禦機制。這個作用有點像古代的烽火臺,當敵人來襲就燒起狼煙,附近的人看到狼煙就知道這裡出事了,要加強戒備。

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於是他就開始了他的實驗室生活:下課後、週末以及暑假,康納都在白斯老師的實驗室裡種阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。雖然他也是高中的游泳校隊,但他盡可能地投入時間作實驗。

成果是豐碩的。兩年後,康納在白斯教授的指導下,解出了植物接到鄰居的「狼煙」以後,接下來做了什麼;他們的成果發表在2017年的「植物科學前鋒」(Frontier in Plant Science)期刊上。

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這個重要的發現是什麼呢?有一天他如常地進行實驗:把一株阿拉伯芥用鑷子弄了幾個傷口,準備明天觀察它的反應。不同的是,這次旁邊有一株阿拉伯芥沒有被他弄傷。

第二天他看到了令他不敢相信的結果:旁邊的阿拉伯芥的主根變長、而且還長出了不少側根。

於是他們做了更多測試。他們發現:旁邊有受傷的伙伴的小芥們,主根生長的速度大約…