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二氧化碳多,植物就會長得快嗎?

櫸木有外生菌根。圖片來源:Wiki
對於溫室效應(Greenhouse Effect)大家都耳熟能詳了,也知道是因為大氣中因為人類活動所產生的溫室氣體越來越多,這些氣體把太陽與地球所產生的輻射能量留在大氣層裡面,使地球表面的溫度提高。

溫室氣體(greenhouse gases)包括了水蒸氣(H2O)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)與氯氟碳化物(CFCs,Chlorofluorocarbons),不過最主要的還是二氧化碳。慢著!二氧化碳不也是植物光合作用的原料之一嗎?那麼說起來,當大氣中的二氧化碳濃度提高,就代表植物會有更多的原料可以進行光合作用,所以...溫室效應所帶來的二氧化碳濃度上昇,應該會造成植物長得更好,所以溫室效應也不全是壞的囉?

理論上雖然是這樣,不過在實驗中卻發現不見得是這樣喔!有些植物的確長得更好,但效果並不持續;有些卻完全沒有長得更好。雖然有人認為可能是因為氮素不足,但在有些實驗裡又發現好像氮沒有那麼重要;至於植物的年齡與種類、水分、溫度、甚至添加二氧化碳的技術,雖然都可能有影響,卻又無法解釋不同實驗的結果。

到底是什麼影響到植物對二氧化碳所產生的反應呢?由歐洲與美國所組成的研究團隊,想到了菌根(mycorrhiza)。菌根是與植物根部共生的真菌,約有94%的植物根部都可以找到它(剩下的6%是水生植物)。有些菌根會把菌絲伸入植物的根細胞中形成菌根共生體(arbuscular mycorrhizae,簡稱AM),有些菌根則只會包覆在植物根的外圍,形成外生菌根(ectomycorrhizae,ECM)。這些真菌協助植物吸收水分與礦物質,從植物那裡得到光合作用所產生的醣類,對植物的生長與養分的循環有很大的貢獻。

但是外生菌根與菌根共生體與植物之間的互動其實不盡相同。過去的研究發現,外生菌根非常的講義氣,不管土壤裡面的養分(尤其是氮素)充足與否,外生菌根會一直與植物維持共生關係;相對的,菌根共生體雖然名為共生體,但是當土壤養分不足時,有些菌根共生體會轉為寄生(OS:那...還叫共生體嗎?)。而它們的分佈也不相同:菌根共生體多半都與沙漠、草原、灌木以及熱帶森林的植物在一起,外生菌根則常見於溫帶與寒帶森林。所以,會不會之前的許多實驗,其實都受到菌根種類的影響呢?

為了了解是否菌根真的是影響植物對二氧化碳反應的主因之一,研究團隊分析了83個不同研究團隊的實驗。結果發現,影響植物對二氧化碳的反應的主因,除了二氧化碳增加的幅度以外,就剩下氮素的高低與菌根的種類了。而且菌根種類對植物對二氧化碳反應的影響力,只低於氮素的高低呢!

研究團隊發現,當二氧化碳的濃度上昇到400-650 ppm時,以外生菌根為主的植物,生長的速度(以植物重量的增加來表示)提高了將近三分之一(30±3%);但菌根共生體在相同的狀況下生長的速度只提高了不到一成(7±4%)。

而這個效應,在氮素不足的土壤中更明顯。外生菌根在氮素不足的土壤中,還是可以幫助植物提高生長速度(28±5%),但是菌根共生體在氮素不足的環境下,對植物的生長就沒有幫助了(轉為寄生了嗎?)。相對的,當土壤中氮素充足時,有菌根共生體的植物,生長的速度提高了大約兩成(20±6%),但與外生菌根共生的植物,生長的速度只略微提高(33±4%)而已。

這個實驗結果告訴了我們,由於外生菌根多半與寒帶、溫帶林木共生,當大氣中二氧化碳的濃度節節上昇時,溫帶與寒帶林就變得越來越重要了;尤其是野外的森林,通常不會(也不可能)會有人刻意給予氮肥,因此可以假設在溫帶與寒帶的野生林木,對於固碳的重要性是高於熱帶森林的。

當然,這個實驗也意味著,過去在估計植物對固碳的貢獻時,溫帶與寒帶的森林的貢獻有被嚴重低估的現象喔!雖然聽起來似乎是個好消息,不過這些年的研究也發現,全球暖化會影響到土壤的菌相,所以還是不要太高興比較好呢!

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:

César Terrer et. al. Mycorrhizal association as a primary control of the CO2 fertilization effect. Science 01 Jul 2016: Vol. 353, Issue 6294, pp. 72-74 DOI: 10.1126/science.aaf4610

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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。

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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…

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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)。

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