跳到主要內容

孔雀秋海棠的光合作用魔術

孔雀秋海棠。圖片來源:Science
(註:經網友指正,此圖片應是 Begonia 'Escargot')
原產於馬來西亞雨林的孔雀秋海棠(Begonia pavonina),只有在光線極弱的狀況下葉片會出現藍色。當光線夠強的時候,葉片上的藍色就不會出現了。

因為這藍色是如此的美麗,使它得到了「孔雀秋海棠」(peacock begonia)的美名。大家搶著種它,想要看到那美麗的孔雀藍;但到底為什麼要出現這美麗的孔雀藍呢?

通常我們都認為,在葉片裡面除了葉綠素以外的光合色素,都是輔助色素:在光線不夠時,幫忙吸收更多光能;在光線太強時,把多餘的能量發散。所以孔雀秋海棠的孔雀藍,是否也是一種輔助色素呢?

之前的研究已經發現,這些孔雀藍,應該是來自於被稱為虹彩體(iridoplast)的一種色素體(plastid)。虹彩體位於葉片上表皮的細胞中,為葉綠體的變體。在最近的研究發現,這些虹彩體的類囊體(thylakoids)以一種不尋常的方式排列:每疊葉綠餅(grana)由三到四個類囊體組成,厚度約為40奈米;而一疊一疊的葉綠餅之間的距離約為100奈米。

一般植物的葉綠體。圖片來源:Wikipedia
孔雀秋海棠的虹彩體。圖片來源:Nature Plants

一般的葉綠體,通常葉綠餅的排列是散亂的(如圖);孔雀秋海棠的虹彩體的葉綠餅卻排得如此整齊,有什麼作用呢?

研究團隊測量了20個虹彩體,發現它們的特殊構造賦予它們反射435~500奈米的光波的能力。這個波長正好就是藍光波段的最右邊,與綠光交界的位置。這就是為什麼孔雀秋海棠是藍色的原因吧!

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。

在熱帶雨林裡,光線都被大樹給遮住了,使得地表的光線極弱。弱到怎樣的地步呢?大約是樹冠光線強度的百萬到千萬分之一喔!而且還不只是光線變弱而已,因為雨林中的大樹們把進行光合作用所需的兩個主要波段的光(460奈米與680奈米)都吸收得差不多了,在這樣的環境下,孔雀秋海棠如果不發展出吸收一點綠光的本事,還真的會混不下去。

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良好的地方,藍色就變得不明顯的原因吧--因為虹彩體變少、一般的葉綠體變多了。畢竟對光合自營生物來說,提升光合作用的效率比什麼都重要;如果特殊的構造只有在特殊的環境下才好用時,回到一般環境的時候,還是把特殊構造先收起來吧。

過去我們都以為,葉綠體就是像光電池的集光板一樣,被動地接收著來自太陽的光;孔雀秋海棠的虹彩體告訴我們,「生命會找到出路」;而虹彩體這特殊的構造,是否能應用在光電池上面,提高吸收光能的效率呢?若再加上玫瑰花瓣的「超防反射」功能,應該可以設計出最有效率的光電池喔!

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:

Matthew Jacobs et. al. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency. Nature Plants 2, Article number: 16162 (2016) doi:10.1038/nplants.2016.162

葉綠舒。如何提升集光板收集光能的效率?老葉的植物王國。

留言

這個網誌中的熱門文章

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯( Ipomoea batatas )從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎? 圖片來源: 農委會 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! 最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。 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 。

秘魯傳統與現代:如何耕作(tillage)影響了土壤下的微生物世界

  Chiwa (左)與  barbecho(右)。圖片來源:Sci. Rep. 以前的人認為耕作可以「把土翻鬆」對植物有益,但近年來的研究卻發現,耕作會干擾土壤聚合,所以有了所謂的「免耕耕作」(no-till farming)。但是收穫後都不翻土,任由雜草叢生,也會造成操作上的一些困擾。 或許有限度的翻土,讓操作方便,也不會太擾動土壤,是否比較可行呢?最近在秘魯的研究,提供了一些資訊。 研究團隊探討了秘魯安第斯山脈傳統種植馬鈴薯的耕作系統對土壤微生物群落的影響。他們比較了「chiwa」(最小耕作)和「barbecho」(全耕作)兩種傳統耕作系統對土壤細菌多樣性、均勻度、群落組成和功能的影響。 「Chiwa」是一種最小耕作系統(MTS),其中常用「chakitaklla」(圖)。這種前印加時期的工具用於腳來定位,由一根長0.8至2.5米的木頭和一根長75至300毫米的金屬條製成。在這種MTS中,「chakitaklla」被用於草地上,以穿孔處植入馬鈴薯種子,種子被埋在0.1至0.2米的深度,並用相同的土壤覆蓋。三到四週後,種植區域附近的土壤被翻轉或翻面,形成種子塊莖上的土堤。 相對的,「barbecho」則是使用類似犁的由牛來拉的工具,甚至會使用耕耘機。 研究團隊發現,這兩種耕作系統雖然共享許多代謝途徑,但在厭氧途徑和多樣性途徑上存在差異,顯示了土壤管理對維持健康土壤微生物群落的重要性。 他們發現,「chiwa」耕作系統,即最小耕作方法,顯示出比「barbecho」耕作系統,即全耕作方法,更高的微生物多樣性。這說明在較少干擾土壤的情況下,能夠支持更廣泛的微生物群落,這對土壤健康和生態系統功能是非常重要的。 分析顯示「chiwa」耕作系統比「barbecho」耕作系統展現了更多的厭氧途徑。這意味著在較少干擾土壤的情況下,能夠促進特定微生物群落的發展,這些群落在厭氧條件下更為活躍。這一發現強調了傳統最小耕作方法在維持土壤微生物多樣性和功能上的潛在優勢。 研究強調了利用微生物生物指標來評估耕作系統影響的潛力,這些發現為理解傳統耕作系統下秘魯農業土壤的微生物群落及其生態提供了新的見解。 論文中沒有提到哪一種耕作法馬鈴薯產量比較高,這是比較可惜的事。 參考文獻: García-Serquén, A.L., Chumbe-Nolasco, L.D., N

橘色胡蘿蔔「爆橘」的關鍵基因

  胡蘿蔔。圖片來源:維基百科 於十世紀在中亞馴化的胡蘿蔔(carrot, Daucus carota subsp. sativus )本來是黃色或紫色的。橘色的胡蘿蔔大約在十五世紀初出現在西歐(可能是來自白色與黃色胡蘿蔔雜交),很快地因為類胡蘿蔔素的甜味受到喜愛(雖然有些人也因為這樣的味道而厭惡它)。 到了二十世紀初期,研究者發現橘色的胡蘿蔔有療效,而類胡蘿蔔素(beta-carotene)的名字也是由胡蘿蔔而來。 但是,到底是什麼基因讓胡蘿蔔「爆橘」呢?最近的研究發現,要讓胡蘿蔔變成橘色,竟然需要同時關掉三個基因! 這三個基因是: REC1 , Or 與 EX1 。 美國的研究團隊,為了了解胡蘿蔔「爆橘」的關鍵,分析、定序了630種胡蘿蔔品系。他們發現,只要這三個基因裡面有一個是開啟的狀態,胡蘿蔔就不是橘色的。當這三個基因同時被關掉時,色素會累積,造成橘色的胡蘿蔔。 由於這三個基因位於不同的染色體上(胡蘿蔔有九對染色體),所以在世界各地可能會有不同光譜的橘色胡蘿蔔出現。科學家們翻閱十七世紀的歷史文獻也發現,在當時有「比較」橘與「比較不橘」(可能沒有完全關掉)的胡蘿蔔。當然最後都是比較橘的胡蘿蔔勝出啦。 參考文獻: Coe, K., Bostan, H., Rolling, W. et al. Population genomics identifies genetic signatures of carrot domestication and improvement and uncovers the origin of high-carotenoid orange carrots. Nat. Plants (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01526-6