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會數數的捕蠅草

捕蠅草,可以看見葉片內側的感覺毛。圖片來源:wiki
捕蠅草(Venus flytrap,Dionaea muscipula)會數數,你相信嗎?

先前的研究已經知道,若在30秒之內連續碰兩下捕蠅草葉片內側的感覺毛(sensory hair),而且這兩下都要能夠引發捕蠅草產生動作電位(action potential,AP),這時捕蠅草就會在小於一秒的時間內把它的「蟲夾」(葉片)給關起來。關起來以後,昆蟲當然會持續掙扎,但是越掙扎「蟲夾」就越關越緊。接著捕蠅草葉片內部的消化腺(總共有超過三萬個)便開始分泌消化液,將這不幸的獵物給消化掉。

所以我們已經知道捕蠅草可以數到二...只數兩下?真的是很性急耶!不過,關起來以後,捕蠅草是否馬上就開始分泌消化液呢?

由來自歐洲與澳洲的科學家們所組成的研究團隊,想要知道捕蠅草數完「一、二!」以後發生的故事,於是他們進行了一連串的實驗。

在「蟲夾」關閉後,捕蠅草便會開始製造茉莉酸(jasmonate,JA);茉莉酸接著與它的受器COI1-JAZ1結合,接著JAZ1便會被泛素化(ubiquitination),然後分解。但是,JAZ1的泛素化與分解,會使它的表現量上昇。

有意思的是,頭兩個動作電位發生時,JAZ1與COI1的表現量維持不變,這時候茉莉酸的分泌也還沒有開始;接下來的動作電位的出現(代表被抓到的昆蟲持續掙扎),造成茉莉酸的分泌開始上昇,於是JAZ1與COI1的表現量也開始出現變化--JAZ1表現量上昇而COI1下降。

到第五個動作電位出現時,JAZ1的表現量到達最高峰(為一開始的5.5倍),這時候腺細胞內的鈣離子濃度開始上昇,接著包括幾丁質酶(chitinase)在內的許多水解酶(hydrolase)便會開始分泌了。

要產生動作電位,需要在短時間內把大量的離子運出/運入細胞。由於吃肉的生物常會從肉食中取得所需要的鈉離子,研究團隊對於捕蠅草是否會由它們吃的肉裡面取得鈉離子感到非常好奇,於是他們用飼料(內含的鈉離子較容易定量)來餵食捕蠅草。當然,用飼料餵食還是不能忘記要去刺激一下捕蠅草的葉片的!

結果發現,在餵食後6小時,捕蠅草細胞內的鈉離子濃度開始上昇,到12-24小時到達高峰並繼續維持2-3天。由於只有葉片的細胞呈現鈉離子濃度上昇的現象,這也顯示了捕蠅草的確會吸收獵物的鈉離子。

為了進一步證明捕蠅草的確會吸收鈉離子,研究團隊分析了捕蠅草的鈉離子通道蛋白DmHKT1。結果研究團隊發現,從零到第三個動作電位發生之間,DmHKT1的表現量都沒有變化;但是在第五個動作電位(又是第五個!)發生後,DmHKT1的表現量開始上昇,並於四小時候達到最高,可達原來的60倍!研究團隊也發現,DmHKT1的表現受到JA的調節。這也顯示了,捕蠅草雖然是植物,但是吃肉的植物與吃肉的動物一樣,會吸收獵物的鈉離子來作為產生動作電位使用。不只是鈉離子,研究團隊還發現捕蠅草可能還會吸收獵物的銨離子(NH4+)與鉀離子(K+)喔!

所以,當蟲兒降落在捕蠅草的葉片內部時,若只碰一下、或是只有輕輕的碰幾下感覺毛,捕蠅草是不會關門的。在捕蠅草被碰了第一下以後,只要30秒內它的感覺毛又被用力碰了一下,這時候捕蠅草便迅速地將葉片關上。接著若真的抓到蟲了,蟲兒當然會開始用力掙扎,於是...

「三、四、五!」

接著腺細胞內的鈣離子濃度上昇、茉莉酸受器基因JAZ1表現量上昇、水解酶大量分泌、鈉離子通道基因DmHKT1表現量也上昇,隨著葉片關得越來越緊,形成一個如胃(「綠胃」,green stomach)的構造,等到蟲兒被消化殆盡後,葉片才會打開,讓蟲兒的殘渣掉出來。

吃完蟲兒重新打開的捕蠅草葉片。圖片來源:wiki
所以,捕蠅草真的會數數喔!不過,捕蠅草的數法是:

「一,二!三,四,五!!!」

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:

Böhm et. al.,The Venus Flytrap Dionaea muscipula Counts Prey-Induced Action Potentials to Induce Sodium Uptake Current Biology (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2015.11.057

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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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