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如何產生超大蕃茄

大家常常吃生蕃茄、熟蕃茄,但可能不知道,原生種的蕃茄都是小小顆的(類似聖女小蕃茄),大顆的(如牛蕃茄)都是栽培種。到底是什麼原因造成蕃茄有大有小呢?


蕃茄的大小是因為子房室的數目造成的。
究竟是什麼原因造成子房室的數目變化呢?
圖片來源:wiki

當我們把蕃茄橫切(如下圖),會看到蕃茄的果實裡面有很多「房間」。大的蕃茄房間比較多,小的蕃茄房間比較少。這些「房間」其實叫做「子房室」(locule)。

大蕃茄有四個子房室,小蕃茄只有兩個。
photocredit:葉綠舒

科學家們過去已經知道,有兩個基因突變會影響到蕃茄的子房數目。一個稱為lclocule number,子房室數目),另一個是fasfasciated,簇生)。這兩個突變彼此間有加成效果,所以同時具有lcfas的突變蕃茄果實會更大。

最近冷泉港(Cold Spring Harbor)的研究團隊,在蕃茄裡發現了兩個新的基因,當它們突變時會產生超大蕃茄。這兩個基因被稱為fabfasciated and branched,簇生且分支)與finfasciated inflorescence,花莖簇生)。

進一步的分析發現,fab其實跟阿拉伯芥的CLV1是一樣的。在阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana),CLV1、CLV3與WUS一起調節阿拉伯芥的頂芽生長點。CLV3是個小分子的多肽(大約12-13個氨基酸),當他與CLV1受器結合以後,便會去抑制WUS的表現,而WUS又會去正向調節CLV3的表現。頂芽生長點因為有他們三個(還有其他配角,不過為了聚焦就不提了),得以維持在適當的大小。

當阿拉伯芥的Clv1Clv3基因發生缺損時,WUS便會開始到處表現。結果就是頂芽生長點變大、(花莖的)分支也變多。而這篇研究裡的蕃茄,fab的突變造成不僅是花莖的分支變多(下圖b),每一朵花的花器也變多了(下圖f右下),於是子房室的數目也增加,結果就是有六個子房室的大蕃茄。

圖片來源:Nature Genetics

另一個基因fin的突變更誇張,花莖的分支(上圖c)以及每朵花的花器數目增加得更多(上圖g右下),於是長出來有12個子房室的超級大蕃茄!

有趣的事情是,Fin並不是Clv1Clv3,而是專門在羥基脯氨酸(hydroxyproline)上面加上阿拉伯糖(arabinose)的酵素:hydroxyproline O-arabinosyltransferase (HPAT)。

為什麼HPAT會跟子房室的數目扯上關係呢?進一步的深入研究發現,原來CLV3需要被Fin基因所產生的這個酵素加上三個阿拉伯糖才能有正常功能。在Fin發生突變時,CLV3因為沒有加上糖所以跟CLV1結合得不好,影響到後續對於生長點的調節功能,於是就產生超大蕃茄了。

至於過去栽培種中的Lc以及Fas基因呢?科學家們認為Lc應該是位於Wus下游,而Fas就有意思了。原來Fas就在Clv3的附近,過去一直認為Fas是一個稱為Yabby的基因,但是當科學家將Yabby放回蕃茄去卻只能部分逆轉Fas的性狀。這次找到了蕃茄的Clv3以後才發現,原來fas的突變是因為一整段基因(29萬4千個鹼基對,294kb)反轉,這一整段包括了Clv3Yabby以及其他的基因,但卻影響到Clv3的表現,所以造成了大蕃茄的性狀。

所以,若要產生超大蕃茄,一定要從Clv1-Clv3-Wus這條路徑下手。目前的研究成果已知這條路徑在蕃茄中與阿拉伯芥是類似的,不知道在其他的植物中是否也很相似?在這個研究裡,作者動用了基因編輯(gene editing)技術,將蕃茄的Clv3剔除掉以後,也一樣會產生超大蕃茄;若能用相同的技術在其他農作物上,或許就能產生更多超大果實呢!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

Cao Xu et. al. 2015. A cascade of arabinosyltransferases controls shoot meristem size in tomato. Nature Genetics doi:10.1038/ng.3309.

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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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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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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。

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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

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…