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吃炸藥的植物

TNT. 圖片來源:wiki

三硝基甲苯(2,4,6-trinitrotoluene,TNT),俗稱黃色火藥,在1863年由德國化學家Julius Wilbrand發明出來,原先是用作染料。雖然當時也很快就發現它會爆炸,但由於它不容易引爆,因此直到德軍發現它的好用之處之前,並沒有什麼人想要把它拿來當作炸藥。甚至在英國1875年的爆炸物法(Explosives Act 1875)中,並未列入黃色火藥呢!

在1902年,德軍發現,如果把黃色火藥裝在鋼鐵外殼內,它可以在穿入軍艦後才爆炸,不像當時主要使用的炸藥TNP(又名苦味酸,Picric acid,2,4,6-trinitrophenol)通常都在接觸到軍艦的外殼的那一刻就炸了;由此發現黃色火藥的殺傷力比較大。在這之後,德國、英國(1907年)、美國(1921年)先後開始採用黃色火藥。現在,軍隊、礦區以及工業常用它來炸開擋路的石頭。但是黃色火藥其實是有毒物質,當爆炸以後,大量的黃色火藥會隨著爆炸的力量滲入土壤,一旦進入土壤就不容易移除。

黃色火藥會對皮膚造成刺激性,接觸後皮膚會變成黃色。在一戰時期,負責處理黃色火藥的工作人員的手因經常接觸而被染成黃色,因此得到了「金絲雀」(canaries)的綽號。但後來便發現,長期接觸黃色火藥會導致貧血、肝功能不正常、脾臟腫大等;且在大鼠的試驗中被發現有致癌性,因此被列為可能的致癌物。雖然植物可以吸收黃色火藥,但是黃色火藥會使得植物根部的生長被抑制。由於軍隊與礦區廣泛的使用,黃色火藥造成的污染已受到廣泛的重視,也被美國的環境保護署(EPA)列為重點工作。

由於植物會吸收黃色火藥,有人就想到,為何不利用植物來移除被黃色火藥污染的土壤呢?雖然這個想法不錯,但是「吃」了黃色火藥的植物,它的根部生長會受到抑制,所以植物長得並不好。當然,如果能找到不被抑制的突變種,或許就真的可以用它來進行所謂的「植物修復」(phytoremediation)了--只是,這樣的植物存在嗎?

最近,英國的研究團隊,從擬南芥(阿拉伯芥,Arabidopsis thaliana)中找到了不會被黃色火藥抑制生長的突變株mdhar6

MDHAR6的基因是個負責解毒的酵素,全名是monodehydroascorbate reductase 6。擬南芥總共有五個MDHAR基因,存在的位置不大相同。不過,它們都負責將氧化的維生素C還原。

研究團隊發現,當MDHAR6基因發生缺損時,可以使得mdhar6突變株能夠「吃」很多炸藥,但是不會中毒。

但是,這個酵素原來的功能是負責解毒啊!為什麼解毒基因缺損反而可以吃更多毒藥呢?原來MDHAR6主要位於質體(plastids,為葉綠體、澱粉體等的總稱)與粒線體中,它會將黃色火藥還原為帶負電的分子,然後帶負電的黃色火藥再將電子傳給氧氣,產生自由基(reactive oxygen species,ROS)。當自由基產生時,細胞裡面的各種大分子,就會因為被自由基還原而產生損害。

也因此,沒有MDHAR6的突變株,反而因為不會還原黃色火藥,所以也沒有產生自由基的機會,可以猛吃炸藥也不會中毒。它們到底可以吃多少呢?研究團隊發現,把mdhar6突變株的植物種在每公斤含有100毫克(mg)的土壤中,它們可以在五週的時間裡移除超過40%的炸藥喔!

不過,也因為這個機制是如此特殊,當研究團隊測試mdhar6突變株,想找找它是否有其他的過人本領時,發現除了可以大吃炸藥以外,mdhar6突變株對食鹽、巴拉刈(paraquat,一種會產生自由基的殺草劑),以及過氧化氫等物質,它的表現都與一般植物沒有差別。但筆者覺得,光是可以猛吃炸藥還一點事也沒有,就已經是一項了不起的本領了,不是嗎?

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:

Elizabeth L. Rylott and Neil C. Bruce et. al., 2015. Monodehydroascorbate reductase mediates TNT toxicity in plants. Science 349(6252):1072-1075 DOI: 10.1126/science.aab3472

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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)。

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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?


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。

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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。

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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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康納是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因為對科學有興趣,寫了e-mail給德拉瓦大學(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表達希望能進他的實驗室學習。當白斯老師回信說「OK」的時候,康納高興得不得了。

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。

以一個高中生來說,這可是個非同小可的成就;康納不只是付出了許多努力,他也細心觀察每一個實驗。因為他夠細心,所以才沒有錯失了重要的發現。

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…