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野生大豆(Glycine soja)的馴化關鍵在種皮


野生大豆(Glycine soja)。圖片來源:wiki
野生的植物為了要讓自己的種子能度過嚴苛的環境,有些便演化出了不透水、不透氣的種皮,讓種子可以埋在地裡幾個月不發芽。

不過,雖然不透水、不透氣可以讓種子保存很長一段時間,但在農業上卻不利於耕作。五千年前,中國華北地區的農夫由野生大豆Glycine soja中選出種皮可以透水的栽培種;栽培種的大豆泡水15分鐘後種子便發脹,一兩天內便可發芽。最近,普渡大學(Purdue University)的研究團隊,為了要找出使野生大豆種皮不透水透氣的關鍵,將野生大豆與栽培種雜交後,終於找到了關鍵基因:GmHs1-1。(Hs是「堅硬種皮」hard-seeded的意思)

為什麼要找到這個基因呢?有兩個原因。第一,過去的研究發現,種皮較堅硬的大豆,所含有的鈣質較高,也就是說,營養價值較好;第二,美國的氣候較乾燥,傳統栽培種大豆的種皮,因為會透水透氣,使它們在美國的氣候下無法久儲。

研究團隊先將野生大豆與栽培種雜交,得到的雜交第一代,全部都有堅硬的種皮;也就是說,堅硬種皮的基因其實是顯性(dominant)。

接著進一步分析,找到決定大豆種皮的基因應該是位於第二號染色體。這與過去的發現相呼應。接著,研究團隊進一步深入尋找,終於在第二號染色體上找到了GmHs1-1基因,是一個類鈣調磷酸酶蛋白(calcineurin-like protein)。野生種大豆與栽培種的GmHs1-1,唯一的差別在於其中一個氨基酸因為基因突變,由蘇氨酸(threonine)變為甲硫氨酸(methionine)。

當他們把野生大豆的GmHs1-1轉殖到栽培種大豆之後,栽培種大豆便有了堅硬種皮。同時,轉殖大豆的鈣含量也比栽培種的要高。這個基因主要表現在種皮的Malpighian layer上,使野生大豆的種皮(特別是這一層)比栽培種大豆要厚。

研究團隊分析了195個來自於中國的栽培種大豆,其中只有9個品系帶有野生種的GmHs1-1,剩下的186個品系都是栽培種的序列(即甲硫氨酸突變種)。這個發現也進一步支持研究團隊的假說:GmHs1-1的確是決定堅硬種皮的關鍵基因。或許附近也有其他基因影響到種皮,但GmHs1-1的確有關鍵的決定性。

這個發現,也提供了更多的證據支持戴蒙(Jared Diamond)在「槍砲、病菌與鋼鐵」中提到,作物要馴化,初期性狀的改變多半都只是一個或兩個基因的變化所造成;畢竟古人並不是什麼遺傳學家、也不懂分子生物學、更非有經驗的農夫;因此,如果長年累月地種植,卻無法得到好用的品系,這種作物便會被棄而不用了。

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:

Ma J. et. al., 2015. GmHs1-1, encoding a calcineurin-like protein, controls hard-seededness in soybean. Nature Genetics. doi:10.1038/ng3339

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老祖宗的偏方殺死多重抗藥菌

現代醫學常常對於某些偏方不屑一顧,不過最近諾丁漢大學(University of Nottingham)的微生物學家哈里森博士(Freya Harrison)決定要來試試看記載於九世紀書中的古方,發現竟然可以殺死多重抗藥菌。

這本書,Bald's Leechbook,裡面有個用來治療睫毛毛根感染的方子。這藥方是這麼製作的:

將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中烹煮九天。(詳見本文最後的更正)

研究人員發現,要重現古方其實也不容易;雖然現在也有韭菜與大蒜,但是育種使得現代的韭菜與大蒜跟九世紀的品系有所不同;即使研究人員找到了所謂的「傳統」(heritage)品種,但他們仍擔心是否還是不一樣。

公牛膽倒是比較容易,很多化學藥劑公司都販售膽鹽;另一個問題是銅鍋。銅鍋非常貴,因此哈里森博士決定把整個配方在玻璃器品中烹煮九天,但在配方中加入一片銅同煮。

九天以後配方完成。哈里森博士說,烹煮的過程中整個實驗室充滿了大蒜的味道,讓附近的人都以為他們在實驗室裡煮東西吃;九天結束時,藥膏有個恐怖的味道。

但是味道恐怖歸恐怖,哈里森博士發現它可以殺死土壤中的細菌。更好的是,它可以治療被多重抗藥性金黃葡萄球菌感染的老鼠,效果與萬古黴素(Vancomycin)相當。

接下來的工作就是要了解為何這古方有效。2005年有另一個研究團隊嘗試過同樣的方子,但沒有任何效用。唯一的差別是他們沒有煮九天。而單獨使用任何一個成分也都沒有效果。

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)

2015/10/10 更正:由於當初只有參考文獻1中的文字可供參考,而New Scientist 使用了stewing這個詞,使筆者誤以為是「將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中烹煮九天。」;本文中的研究於2015/8出版於mBio期刊(2),參考其中的方法發現,正確的製備過程是「將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中置放九天。」。特此更正。

參考文獻:

1. Clare Wilson. 2015/3/30. Anglo Saxon remedy kills hospital superbug MRSA. New Scientist.

2.Harrison et al. (2015) A 1,000-year-old antimicrobial reme…

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

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上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔!

台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢!

至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉!

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至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔!

如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔!

參考文獻:

蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。
行政院農委會。甘藷主題館

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?

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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?


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這個問題來自於卡爾文循環的第…