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農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)的不確定性

現在作植物的轉殖,幾乎都是用農桿菌了。這個格蘭氏陰性(Gram negative)桿菌,原本是農作物的病菌,會導致植物產生腫瘤(crown gall);雖然植物的腫瘤不會轉移也沒有致命的風險,卻會使植物生產的養分,因為要供應給腫瘤而造成產量減少。

農桿菌所產生的腫瘤。圖片來源:wiki
農桿菌所造成的危害,最早是在葡萄裡面發現;後來慢慢發現它其實可以危害許多植物,不過在自然界中以雙子葉植物居多。農桿菌自己帶了一個質體,稱為Ti質體。這個Ti質體,在農桿菌感染植物時,其中有一段DNA會插入植物的基因體中。

這段DNA(稱為T-DNA)裡面帶有合成兩種植物賀爾蒙所需的酵素基因,進入植物基因體後,便會使得該植物細胞開始大量產生生長素(auxin)與細胞分裂素(cytokinin)。這兩種賀爾蒙相加的結果,會使得細胞開始分裂增生,於是就產生腫瘤了。當然,T-DNA中還有其他的基因,會驅使植物細胞合成農桿菌所需要的養分,包括了小分子氨基酸與磷酸化的糖類等,這樣農桿菌在腫瘤中才能生長壯大。

原本研究農桿菌是為了要打敗它,但是科學家在研究的過程中發現,這隻細菌非常的有意思。原來,農桿菌在將T-DNA轉入植物基因體時,根本不管裡面有什麼、也不管有多長(當然,太長了效率會降低),它只認這段DNA的兩邊邊界(稱為左右邊界),然後就一股腦地將左右邊界之間的DNA給塞進植物裡面了。

農桿菌的轉殖原理。左邊是農桿菌,右邊是植物細胞;
C為Ti質體,載體中的a為T-DNA。圖片來源:wiki
這樣有意思的轉殖過程,就讓科學家們想到,如果可以把T-DNA用自己想要放進植物裡面的基因給取代,是不是就可以把「任何基因」都給它放進去了呢?

理論上是這樣,不過因為Ti質體實在是太大了(大約200kb以上),造成在實驗室裡面的操作很困難。這個障礙,直到1983年 Hoekema 以及de Frammond這兩個研究團隊發現,可以把Ti質體一分為二之後,農桿菌才成為研究植物的人的心頭寶。

從此以後,農桿菌開始被大量用在製作轉基因植物上;原本是雙子葉植物的病原菌的它,經過研究團隊悉心調製配方以後,它現在已經可以說是少有敵手。跟基因槍相比,又不用買很貴的儀器、也不需要買金粉或鎢粉;只要把質體做好,塞到農桿菌裡面,養個一堆以後,把要轉的組織泡在裡面若干時間,就大功告成了!它能夠成為植物研究者的心頭寶,真的不是蓋的!

但是,它還是有一些限制。過去的研究發現,由於農桿菌只需要在植物基因體上找到很小一段序列相似,就可以進行轉殖;於是幾乎可以說,農桿菌在植物基因體中的「任何地方」都可以把T-DNA塞進去。這樣雖然很方便,但也有麻煩。有時它會破壞基因,造成植物產生一些特殊的性狀。

當然,那樣的基改植物,就不能使用了;雖然它還可以有其他的用途。不過,有另外一個疑問是:農桿菌真的有那麼「乖」,就只會把左右邊界之間的DNA塞進植物裡面而已嗎?

這個疑問,如果問早期研究植物的科學家,可能會被嗤之以鼻;他們會告訴你,當然!不過這個當然,在1990年代已經被打破了。

在1992年12月2日,當加基公司(Calgene Inc)正在為了它們的莎弗番茄(Flavr Savr Tomato)申請上市忙得天翻地覆時,收到了食品藥物管理局的來函,希望他們澄清一件事:是否真的只有T-DNA的序列嵌入番茄中?

原本加基公司也認為食品藥物管理局未免多此一問,但等到南方墨點試驗(Southern Blot)出爐,他們很驚訝地發現:約有20%-30%的農桿菌載體序列也出現在植物中(1)。於是他們只得將這些含有農桿菌載體序列的番茄剔除。

後來,Neal Gutterson等人也發現,農桿菌的載體序列的確會出現在基改植物中;而且比例高於加基公司所做出來的結果(50%~80%)。不過,Gutterson的研究團隊,後來便在載體中放了一個致死基因,只要轉殖過程中把包含了致死基因的載體序列放進去了,植物便會死亡(2)。

看起來似乎額外的序列加入植物的問題解決了,但筆者過去的經驗發現,農桿菌有時會只嵌入短短的序列(只有幾個或十幾個鹼基對),這短短的序列,如果插入基因中,仍足以破壞蛋白質的產生,或是打亂基因的表現;可是這樣短的序列,卻無法以南方墨點試驗鑑定,嵌入致死基因也無法預防這樣的事情發生...所以,究竟農桿菌用來轉殖,是否真的是安全的?除卻定序整個基因體(需要相當高的經費)之外,通常都是由檢驗外觀性狀以及基改植物各大小分子的表現量是否異於原植物而已。

所以,是否安全呢?筆者也沒有答案,您呢?

(台大科教中心擁有此文版權,其他單位需經同意始可轉載。)

參考文獻:

1. Belinda Martineau. 番茄一號-全球第一個上市基改食品「莎弗番茄」的起與落。遠流出版。

2. Bill Hanson, Dean Engler, York Moy, Bob Newman, Ed Ralston and Neal Gutterson. 1999. A simple method to enrich an Agrobacterium-transformed population for plants containing only T-DNA sequences. The Plant Journal. 19(6):727–734.

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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?

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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)。

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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?

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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?


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孔雀秋海棠的光合作用魔術

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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?

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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…