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目前顯示的是 3月, 2021的文章

γ-氨基丁酸(GABA)與植物乾旱記憶

圖片來源: 維基百科 植物在缺水的時候,會分泌離層酸(ABA,abscisic acid)使氣孔關閉。這個過程分為兩階段:第一階段是先釋出儲存在葉片的離層酸讓氣孔馬上關閉,如果缺水的狀況持續下去,植物便會再由根部合成新的離層酸,並將之運輸到葉片,讓氣孔持續關閉。 最近的研究發現,植物在缺水的時候,不只有葉片與根部會分泌離層酸,構成氣孔的保衛細胞(guard cells)會合成γ-氨基丁酸(GABA,γ-Aminobutyric acid);GABA接著會累積在植物的組織中,而GABA累積的程度也與植物氣孔關閉有關。 GABA的累積會持續到隔天早上。第二天早上組織中GABA的殘留量,決定了第二天氣孔張開的程度:GABA殘留愈多,氣孔張開的程度愈小。也就是說,植物可以透過GABA來「記得」前一天乾旱的程度。研究團隊發現,至少在大豆、大麥與蠶豆中都可以觀察到GABA與乾旱記憶的關係。他們也發現,分泌較多GABA的突變株,對抵禦乾旱的能力比較強。 在動物中,GABA是一種神經傳導物質。植物沒有神經系統,但是植物裡面的確會合成GABA,而這個研究發現了GABA與乾旱相關的「記憶」。 參考文獻: Bo Xu, Yu Long, Xueying Feng, Xujun Zhu, Na Sai, Larissa Chirkova, Annette Betts, Johannes Herrmann, Everard J. Edwards, Mamoru Okamoto, Rainer Hedrich, Matthew Gilliham. GABA signalling modulates stomatal opening to enhance plant water use efficiency and drought resilience. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-21694-3

細胞分裂素(cytokinin)如何啟動細胞分裂?

  trans-Zeatin,細胞分裂素的一種。圖片來源: 維基百科 細胞分裂素(cytokinin)是植物的六大賀爾蒙之一,從名字就可以看出來,它與細胞分裂息息相關。 最早的研究原本不認為植物會產生化合物來刺激自己進行細胞分裂,直到發現了trans-Zeatin後,科學家們才認知到植物也是有這種賀爾蒙的。許多研究都發現,生長素(auxin)與細胞分裂素應該是植物的必須賀爾蒙;因為到目前為止找不到任何突變株完全不能合成或感應這兩個賀爾蒙。 最近的研究發現,細胞分裂素透過一個轉錄因子(transcription factor)MYB3R4來啟動細胞分裂。 MYB3R4平常主要位於細胞質中,當細胞處於G2→M階段時,細胞分裂素分泌,MYB3R4便進入細胞核(同時它的轉錄也上升),啟動正向回饋,讓許多與細胞分裂相關的基因都開始表現,於是細胞開始進行有絲分裂(mitosis)與細胞質分裂(cytokinesis)。 研究團隊為了要證實MYB3R4的確與細胞分裂有關,以基因工程的方法改造了MYB3R4,讓其中的兩個胺基酸(分別為苯丙胺酸與白胺酸)突變為丙胺酸。改造後的MYB3R4只會停留在細胞核內,產生了類似加入細胞分裂素的效果,證實了這個基因的確與細胞分裂有關。 參考文獻: Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis BY WEIBING YANG, SANDRA CORTIJO, NIKLAS KORSBO, PAWEL ROSZAK, KATHARINA SCHIESSL, ARAM GURZADYAN, RAYMOND WIGHTMAN, HENRIK JÖNSSON, ELLIOT MEYEROWITZ SCIENCE26 MAR 2021 : 1350-1355

煙草粉蝨(Bemisia tabaci )偷植物的基因來防禦自己

  圖片來源: 維基百科 以吸食植物篩管的汁液維生的煙草粉蝨(silverleaf whitefly, Bemisia tabaci ),也稱為銀葉粉蝨,是很常見也很重要的害蟲。因為牠可以吸食超過六百種植物的汁液,對於許多農藥都有抗性,已成為令農夫非常頭痛的害蟲之一。 之前的研究 已經發現,煙草粉蝨可以把十字花科(如白菜、高麗菜等)的植物合成的「芥末油炸彈」中的異硫氰酸酯(isothiocyanate)的前毒素(稱為protoxin)給加上更多的葡萄糖。讓前毒素無法被植物本身的水解酶辨識,於是就不會產生異硫氰酸酯,也就無法殺死煙草粉蝨了;最近的研究更發現,原來煙草粉蝨還從植物偷了一個酵素來中和植物產生的抗蟲次級代謝物「酚類糖苷」(phenolic glycosides)。 這個酵素是一個酚類葡萄糖苷丙二酸轉移酶(phenolic glucoside malonyltransferase)。煙草粉蝨的酚類葡萄糖苷丙二酸轉移酶基因,稱為 BtPMaT1 ,它會產生一個461個胺基酸的蛋白質。序列分析發現,這個基因在其他節肢動物中都找不到,但是植物裡面有它;也就是說,這個基因應該極有可能是從植物平行轉移到煙草粉蝨上的。 過去唯一的跨生物界基因平行轉移是農桿菌( Agrobacterium tumefaciens )。煙草粉蝨的例子,是第二例跨界生物平行轉移;而這個轉移無疑地,對煙草粉蝨是有極大好處的。 當研究團隊以干擾RNA技術,將 BtPMaT1 的干擾RNA植入番茄後,吸食過番茄汁液的煙草粉蝨,對植物所產生的酚類糖苷就無法抵禦了,這使得這種轉殖番茄對煙草粉蝨有抵抗力。 基因序列分析顯示,煙草粉蝨應該是從三千五百萬年前就得到了這個基因。可是到底煙草粉蝨是怎麼偷到這個基因的?雖然研究團隊懷疑可能是由病毒帶入,但這個問題可能永遠也不會有答案,不過煙草粉蝨無疑地是很成功的害蟲! 參考文獻: Jixing Xia, Zhaojiang Guo, Zezhong Yang, Haolin Han, Shaoli Wang, Haifeng Xu, Xin Yang, Fengshan Yang, Qingjun Wu, Wen Xie, Xuguo Zhou, Wannes Dermauw, Ted C.J. Turlings, Youjun Zhang, Whitefly hi

根瘤(nodule)形成初期需要細胞分裂素(cytokinin)的成功運輸

  圖片來源:維基百科 豆科植物會與根瘤菌共生,產生根瘤讓根瘤菌住在裡面,幫助豆科植物固氮。但是要形成根瘤,牽涉到非常多的信號來回輸送。如之前我們曾分享過另一篇研究就提到,豆科植物藉由一些信號,來 維持根瘤的數量在一定的數量 上。之前的發現是,細胞分裂素(cytokinin)對根瘤的形成是有抑制作用的。 最近的研究發現,在根瘤形成的早期,細胞分裂素能否成功運輸很重要。一個運輸蛋白ABCG56,會把細胞分裂素運出細胞,若受到干擾則根瘤形成會受到阻礙。 ABCG56表現在根與根瘤中。研究團隊發現,以根瘤菌、結瘤因子(Nod factor)或細胞分裂素處理,都會讓這個基因的轉錄上升,讓它的信息RNA(mRNA)累積於表皮和根的皮層。 所以從這兩個研究看來,似乎細胞分裂素對根瘤形成的影響,在早期是正向的、但是到後期是有抑制作用的(或者可以說,存在著回饋抑制)。但是也要注意這兩個研究是在不同的植物中進行:有抑制作用的研究是在百脈根中進行的,而這次的實驗則是在蒺藜苜蓿中進行的。 參考文獻: Jarzyniak, K., Banasiak, J., Jamruszka, T. et al. Early stages of legume–rhizobia symbiosis are controlled by ABCG-mediated transport of active cytokinins. Nat. Plants (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00873-6

紫杉狀海門冬(Asparagopsis taxiformis)可以減少牛隻的甲烷排放

  圖片來源: 維基百科 紫杉狀海門冬( Asparagopsis taxiformis )是紅藻的一種,又名「蘆筍藻」,也是夏威夷蓋飯( poké )的原料之一。 最近美國加州大學戴維斯分校的研究發現,每天給牛吃80公克(分四次提供)的紫杉狀海門冬,牛隻體重增加的趨勢跟只吃飼料的牛隻是一樣的,但是這些吃海藻的牛隻所排放的甲烷(methane)卻比不吃海藻的少了82%。 牛的甲烷排放,向來都是畜牧業的頭痛問題。在美國,畜牧業的溫室氣體排放占了整體溫室氣體排放的一成,而其中有一半來自反芻動物。反芻動物因為消化系統進行發酵作用,讓牠們得以從食草中取得足夠的養分;但發酵作用中所產生的甲烷透過打嗝與放屁排出,卻成了助長溫室效應的氣體。甲烷是比二氧化碳要強24-30倍的溫室氣體,因此過去有許多研究都在想辦法減少反芻類(尤其是牛)的甲烷排放。 因此,過去有許多團體都呼籲要減少肉食,尤其是吃牛肉。但是地球上的土地也不是都適合耕種,有些區域只能用於畜牧。 研究團隊過去就發現,紫杉狀海門冬含有可以抑制產生甲烷的酵素的成分。他們曾經在2018年嘗試著讓牛吃海藻,達成了降低50%甲烷排放的目標;這次在2020年的試驗,更進一步地讓甲烷排放降低了82%。研究團隊發現這些牛的肉味也沒有改變。 但是要提供海藻給全美國的牛,可能沒有這麼多海藻;另外是,這個實驗是針對吃飼料的牛做的,但如果是放養的牛,要怎麼確定他們能一天四次,每次吃20克的海藻呢? 記得我在讀賈德‧戴蒙的《大崩壞》時,裡面提到中世紀的格陵蘭農夫會在冬天沒有草料時餵牛吃海藻,但那是一種要維持牛活命所做的不得不的手段,那時候的農人們如果知道餵海藻有這種效果,可能會有點無言吧... 參考文獻: Breanna M. Roque, Marielena Venegas, Robert D. Kinley, Rocky de Nys, Toni L. Duarte, Xiang Yang, Ermias Kebreab. Red seaweed (Asparagopsis taxiformis) supplementation reduces enteric methane by over 80 percent in beef steers. PLOS ONE, 2021; 16 (3): e0247820 DOI: 10.1371/jour

甲基桿菌屬細菌(Methylobacterium spp)協助太空植物成長

  圖片來源: 維基百科 太空站已經20年了!在這20年中,科學家嘗試著在太空站做許多事,當然也包括種菜。最近發現有四種甲基桿菌屬( Methylobacterium )細菌,可能可以協助太空植物成長。 科學家怎麼會發現這些細菌的?其實在這20年間,太空站的細菌組成是一直被持續不斷的監測的。這也就是為何這四種甲基桿菌會被發現。 這些細菌是在不同地點、不同時間點被分離出來的。其中有一種為已知菌種,它是羅氏甲基桿菌( Methylorubrum rhodesianum );其他三種甲基桿菌以前沒有發現過,不過從序列分析上可知它們與 M. indicum 最類似。目前研究團隊已經將這三種新發現的甲基桿菌命名為 M. ajmalii 。 由於這些細菌能固氮,所以研究團隊推斷它們應該能幫助植物成長;但是研究團隊也強調,究竟這些甲基桿菌們是不是真的能幫助植物,還需要進一步的分析。 在太空中種植物,本來就不是一件容易的事;畢竟所有的資源都極端有限。但是在這樣的極端環境下種植植物,也可以幫助科學家們瞭解植物更多。如果這些甲基桿菌真的可以協助植物成長,或許可以提升太空作物的產量。 參考文獻: Methylobacterium ajmalii sp. nov., Isolated From the International Space Station . Frontiers in Microbiology.

植物內的天然毒素(toxin)

  來源:C&EN PDF下載 有些人總認為「天然的尚好」,而商人也常常投其所好地標榜自己的產品是「全天然」「無添加」,好像這樣就有多安全似地... 但其實植物為了要防禦自己,一定會合成一些化合物來攻擊入侵者,而這些對我們也未必是全然無害的! 如南瓜等瓜類就含有葫蘆素E(cucurbitacin E),不僅會讓瓜類帶有苦味,還會造成噁心、嘔吐、腹瀉; 而菜豆含有植物凝集素(phytohemagglutinin),會造成噁心、嘔吐、腹瀉等反應;不過只要煮熟就可以讓植物凝集素失去活性,也不需要非要用壓力鍋來煮。可千萬不要吃生的菜豆!只要吃五顆就可能會讓你不舒服! 歐防風(parsnip)含有香柑內酯(Bergapten)與黃嘌呤毒素(xanthotoxin)這兩種呋喃香豆素 (furanocoumarin),會造成皮膚炎,也會讓接觸到它的皮膚在曬到太陽後出現發紅出水泡等反應。 馬鈴薯含有茄鹼(solanine),一般的馬鈴薯含量不高,但發芽或即將發芽已經變綠的馬鈴薯,其茄鹼的含量會上升數十倍,就會對人有毒。 大黃(rhubarb)的葉片含有草酸(oxalic acid)與蒽醌糖苷(anthraquinone glycosides),會造成噁心、嘔吐等反應。 更不要提許多植物都含有有毒的生物鹼,如大名鼎鼎的罌粟就含有嗎啡、煙草含有尼古丁等。這些只要過量都會造成危害。

開花的化學

  圖片來源: C&EN 圖片PDF下載 植物要開花,需要適當的「光照」(其實是連續黑夜的長度)。對短日照(長夜)植物來說,連續黑夜要超過一定的長度;對長日照(短夜)植物來說,則是連續黑夜時間要短於一定的長度。 目前的研究知道,植物的FT(flowering locus T)由葉片移動到莖,刺激植物開花。 植物花朵的顏色主要由花青素(anthocyanin)、類胡蘿蔔素(carotenoid)與甜菜紅素(betalian)決定。紫色與藍色的花與花青素有關,黃色的花與類胡蘿蔔素和甜菜紅素有關,橘色的花與胡蘿蔔素有關,紅色的花則與所有三種色素都有關。至於白色的花呢,跟什麼色素都無關。 植物的香氣則與萜類(terpenoid)與酚醛類(phenylpropanoid)有關。如薰衣草的香氣就是來自於萜類,而玫瑰的香氣則是來自於酚醛類;至於新剪的草地的香氣,則是來自於綠葉揮發化合物(green leaf volatiles)。 參考文獻: Choi, Charles Q. “A Blossoming Field of Research: How Florigen Is Transported to Create Flowers.” PLOS Biol. (April 2012). DOI: 10.1371/journal.pbio.1001311.  Des Marais, David L. “To Betalains and Back Again: A Tale of Two Pigments.” New Phytol. 207, no. 4 (Sept. 2015): 939–41.  Grotewold, Erich. “The Genetics and Biochemistry of Floral Pigments.” Annu. Rev. Plant Biol. (June 2006). DOI: 10.1146/annurev.arplant.57.032905.105248.

控制番茄苦味的基因

  圖片來源:維基百科 水果的風味由糖含量與酸含量來決定。除了這兩類化合物可以決定水果的甜味外,我們當然也不希望水果吃起來苦苦的。 對番茄來說,苦味來自於番茄鹼(α-tomatine)。番茄鹼為生物鹼的一種,廣泛存在於茄科作物中,未成熟的果實含有大量的番茄鹼,所以一點也不好吃;當果實成熟時它的含量會逐漸降低。雖然它可能對健康有益,但是它的苦味並不受到歡迎,因此在番茄育種時總是會把苦味給排除。 最近的研究發現,帶有苦味的番茄都少了一個稱為GORKY的運輸蛋白。這個運輸蛋白會把番茄鹼從液泡運到細胞質中,接著番茄鹼便會被轉化為沒有苦味的化合物。這個發現,可以幫助未來研究者在進行分子育種時,先行去掉會產生苦味果實的品系。 參考文獻: Kazachkova, Y., Zemach, I., Panda, S. et al. The GORKY glycoalkaloid transporter is indispensable for preventing tomato bitterness. Nat. Plants (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00865-6

赤蘚醇(erythritol)可以滅蚊?!

  對糖尿病患者來說,最難過的應該是不能吃糖吧!很多糖尿病患者常常都無法忌口,造成健康上的損害;另外對一般人來說,減肥也常常要注意碳水化合物的攝取,這時候,如甜菊糖苷之類的代糖就成為首選。目前坊間已有多種代糖可供選擇:如糖精(saccharin)、阿斯巴甜(aspartame)、蔗糖素(sucralose)等。但是不管是哪一種,因為結構與蔗糖並非百分百相似,與甜味接受器接觸的點以及親和力也不盡然相同,造成食用的時候就會感覺到不自然的甜味。雖說如此,但對於不能吃糖的人來說,又想要甜味、又想要無負擔的狀況下,雖然不自然也只能無奈接受。 當然,有些人還是比較想選擇天然的化合物做為代糖。同樣是從植物中萃取出來的赤蘚醇(erythritol),就成為一些人的首選。 圖片來源: 維基百科 赤蘚醇的甜度只有蔗糖的60-70%,不過它幾乎不產生熱量,也不影響血糖、不造成蛀牙,感覺是一種蠻理想的代糖。 對其他的動物來說,這些代糖是否能替代真糖呢?如果食用代糖,又會發生什麼事?最近的研究發現,食用赤蘚醇的蚊子,壽命比較短、生殖能力比較差。 研究團隊以埃及斑蚊( Aedes aegypti )為模式,讓埃及斑蚊們食用含有糖精、阿斯巴甜、蔗糖素或甜菊糖苷的液體做為食物。結果發現,只有食用赤蘚醇的埃及斑蚊壽命比較短、生殖能力也較差。長期食用赤蘚醇的埃及斑蚊,體內肝醣(glycogen)與脂肪的水平比較低。 研究團隊分析了長期食用赤蘚醇的雌性埃及斑蚊的基因表現(即轉錄體),結果發現牠們甘露糖(mannose)合成的基因表現量上升,顯示了這些蚊子的N-聯糖基化機制(N-linked glycosylation,在蛋白質中的天冬醯胺上加上醣類)可能受到影響。因為N-聯糖基化機制會影響到許多蛋白質的功能,當它受到影響時,會對蚊子的壽命與生殖能力產生影響是可以預期的。 與蔗糖比較,埃及斑蚊還是比較喜歡蔗糖,不過也並不討厭赤蘚醇。因此作者認為,未來可考慮以赤蘚醇做為蚊子的誘餌,來達成控制蚊子數量的目的。 參考文獻: Sharma, A., Reyes, J., Borgmeyer, D. et al. The sugar substitute Stevia shortens the lifespan of Aedes aegypti potentially by N-linked protein gl

茶葉裡的成分,ECG 與 EGCG,可以降血壓

  圖片來源:維基百科 喝茶對身體健康有什麼影響?在最近加州大學的研究發現,茶葉裡的兩個化合物,ECG與EGCG,都可以活化KCNQ5這個離子通道蛋白(ion channel protein)。 這個受器出現在平滑肌細胞上。研究團隊以電腦模擬發現,這兩個化合物可以與KCNQ5結合;結合後離子通道打開讓鉀離子流出細胞,降低細胞的興奮度。這會使得平滑肌舒張,由於我們的血管也有平滑肌,所以可以產生降血壓的效果。 除了血管的平滑肌有這個通道蛋白,腦部也有。過去的研究發現,這個通道蛋白的突變與癲癇有關,所以或許這兩個化合物可以用來做為癲癇的某種另類療法。 有意思的是,研究團隊也發現,在實驗中加入牛奶會造成化合物對KCNQ5的作用降低;不過他們認為,當我們喝茶的時候會經過胃,胃部的消化作用應該可以降低牛奶的干擾。所以可能不用避免在紅茶中加入牛奶(當然不加可能會更好?)。 參考文獻: Kaitlyn E. Redford et al. 2021. KCNQ5 Potassium Channel Activation Underlies Vasodilation by Tea. Cell Physiol Biochem 55 (S3): 46-64; doi: 10.33594/000000337

發現調節植物氮(N)運輸的蛋白質CEPH

  Source: Nature Plants 由於合成核酸(nucleic acid)的嘌呤(purine)與嘧啶(pyrimidine)、胺基酸(amino acid)等化合物都需要氮(N),所以氮不但是植物的必需元素,還是僅次於碳(C)、氫(H)、氧(O)的必需元素。但前三者可由二氧化碳與水取得,氮卻無法從這些生合成反應中取得,而只能從根部吸收銨(NH 4 + )與硝酸根(NO 3 - )來取得。 在「 植物的氮感應 」文中,我們提到一個感應與運輸氮的蛋白質NRT1.1。這個蛋白質會因為磷酸化(活化)與去磷酸化(去活化),來調整植物對氮的吸收能力。但除了NRT1.1,植物還有另一個感應與運輸蛋白NRT2.1,負責高親和力的氮運輸。 過去的研究發現,NRT2.1在氮飢餓的狀況下會活化,讓植物可以加強氮的吸收;但是究竟是誰負責活化它,其實過去並不清楚。 最近的研究發現了一個蛋白質去磷酸酶2C(protein phosphatase 2C),稱為 CEPH 。 CEPH 會在植物缺氮時對NRT2.1的第501號胺基酸(絲胺酸)進行去磷酸化,使該酵素活化。另外研究團隊也發現,植物在缺氮的時候,會透過地上部分(shoots)傳送信息到根,使 CEPH 的表現量上升。 在植物的根裡面, CEPH 主要表現在根的表皮與皮層。缺少 CEPH 基因的突變株( ceph-1 ,上圖右)會因為氮吸收降低,造成細胞內氮濃度下降、質量下降等現象。從這些現象可知,透過 CEPH 來調節NRT2.1的活性,對植物的氮吸收是非常必要的。 參考文獻: Nature Plants,A type 2C protein phosphatase activates high-affinity nitrate uptake by dephosphorylating NRT2.1. https://doi.org/10.1038/s41477-021-00870-9

為什麼貓薄荷(catnip)可以趕蚊子?

  圖片來源:維基百科 讓許多貓(約三分之二)無法自拔的貓薄荷(catnip),是唇形科的植物。許多貓只要遇到貓薄荷,就會忍不住過去啃咬、摩擦,接著出現陶醉的反應,看起來超像吸毒的! 過去的研究已知,讓貓無法自拔的貓薄荷成分是荊芥內酯(nepetalactone)。荊芥內酯是環烯醚萜(Iridoid)的一種,屬於單萜物質,由一個五元環和六元環構成。 荊芥內酯(nepetalactone)。圖片來源:維基百科 最近的研究 發現,對貓薄荷有反應的貓,在聞過荊芥內醇(nepetalactol,木天蓼中萃取出的類似荊芥內酯的化合物)後五分鐘,β-內啡肽(beta-endorphin)的量顯著上升。這解釋了為何對貓薄荷有反應的貓,為何一遇到貓薄荷就如此的難以自拔。 但是究竟為何一開始貓要去親近貓薄荷,目前還沒有結論。日本的研究團隊認為,因為貓薄荷可以趕蚊子,那是為何貓會去親近貓薄荷的原因。 但是,為何貓薄荷可以趕蚊子呢?瑞典隆德大學(Lund University)的研究團隊發現,貓薄荷的荊芥內酯(對,同樣的化合物)會活化蚊子的TRPA1受器,這會產生類似痛/癢的反應。同樣的反應在缺少TRPA1受器的突變種蚊子族群,就不會出現,所以牠們也不怕貓薄荷。 雖然人類也有相同的受器,但荊芥內酯不會活化人的TRPA1受器,所以貓薄荷對人不會產生什麼不舒服的感覺。 所以,相同的化合物,在人不起任何反應、在貓產生陶醉的反應、卻讓蚊子又痛又癢。這也讓筆者想到,其他可以驅蟲的化合物,是否也有類似的作用呢? 參考文獻: Melo et al., The irritant receptor TRPA1 mediates the mosquito repellent effect of catnip, Current Biology (2021), https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.02.010

髓鞘細胞的木栓質化(suberisation)對C4植物很重要

C4植物葉片的橫切面,紫色部分為髓鞘。圖片來源:維基百科  C4植物因為在光合作用的卡爾文循環(Calvin cycle,碳反應)前多了一個步驟,而這個步驟會產生一個四碳的化合物而得名。過去的研究發現,C4植物在葉肉細胞(mesophyll,上圖深綠色部分)進行固碳作用,產生四碳化合物;接著將四碳化合物運入髓鞘細胞(bundle sheath cell,上圖紫色部分),再進行反應釋出二氧化碳,進行卡爾文循環。由於進行光合作用的第一個酵素RuBisCo位於髓鞘細胞內,減少了與氧氣的接觸,因此C4植物沒有光呼吸作用(photorespiration),讓C4植物進行光合作用的效率更高。 但是RuBisCo真的不會接觸到氧氣嗎?一點點都不會?最近的研究發現,原來許多C4植物的髓鞘細胞壁有木栓質(suberin)。木栓質為長鏈的碳氫化合物,厭水且不透氣。因為髓鞘細胞壁上的木栓質,使得四碳化合物在進入髓鞘細胞、隨後進行反應產生的二氧化碳不會擴散出去,造成髓鞘細胞內的二氧化碳濃度極高;再加上木栓質也隔絕了外界的氧氣進入髓鞘細胞,於是位於髓鞘細胞內的RuBisCo就可以有效率地進行卡爾文循環了。 這個發現是由澳洲國立大學的研究團隊發現的。他們以狗尾草( Setaria viridis )為模式植物,在2%的二氧化碳下篩選長得不好的狗尾草突變株。篩選的結果找到了幾個突變株,其中一個就是影響到髓鞘細胞木栓質層形成的蛋白質。 深入觀察發現,少了這個基因的突變株,它的髓鞘細胞壁上的木栓質沈積少了許多,但根部表皮仍可以看到木栓質。而這使得髓鞘細胞內的二氧化碳濃度比野生種低了兩倍,也使得碳同化作用效率大減。 這個發現證明了髓鞘細胞壁的木栓質化,對C4植物的光合作用效率很重要。但仍有些C4植物的髓鞘細胞壁是沒有木栓質化的。到底這些髓鞘細胞壁沒有木栓質化的C4植物,是怎樣維持他們的光合作用效率,是個值得探討的議題。 參考文獻: Florence R. Danila, Vivek Thakur, Jolly Chatterjee, Soumi Bala, Robert A. Coe, Kelvin Acebron, Robert T. Furbank, Susanne von Caemmerer, William Paul Quick. Bundle sheath suberisation is

可在砷(arsenic)污染土地中生長的水稻

  圖片來源:維基百科 過去不少研究發現,水稻會吸收土壤中的砷(As,arsenic)並累積於穀粒中。由於砷是有毒的重金屬,雖然中國很早就懂得使用三種砷化合物:包括雌黃(三硫化二砷)、雄黃(四硫化四砷)與砒霜(三氧化二砷),因此食物中砷的累積是必須要密切注意的。 最近海德堡大學的研究團隊,在含20 µM的三價砷的環境中觀察超過四千個不同的突變水稻品系,找到一個新品系的水稻可以在含砷的環境中正常生長。這個品系(稱為 astol1 , arsenite tolerant 1 )吸收的砷比其他水稻品系少了三分之一,但累積了75%更多的硒(Se,selenium)與硫(S,sulfur)。 astol1 品系與其他品系有這麼大的差別,卻只是因為一個基因發生突變。這個突變使該基因(位於葉綠體的 O-acetylserine (thiol) lyase的第189個胺基酸發生突變,從絲胺酸變為天冬醯胺 )與他的互動伙伴(serine-acetyltransferase in the cysteine synthase complex)的互動更緊密,造成互動伙伴活化,促進硒與硫的吸收變得更好,而這使得半胱氨酸(cysteine)、穀胱甘肽(glutathione)和植物螯合素(phytochelatins)的產生提高,於是砷的吸收就減少了。 未來可以將這個突變導入其他的水稻品系中,讓其他的水稻不但耐砷,還能夠吸收更多的必須營養素硒與硫。 參考文獻: Sheng-Kai Sun, Xuejie Xu, Zhong Tang, Zhu Tang, Xin-Yuan Huang, Markus Wirtz, Rüdiger Hell, Fang-Jie Zhao. A molecular switch in sulfur metabolism to reduce arsenic and enrich selenium in rice grain. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-21282-5

會自動偵測重金屬的植物

  圖片來源:維基百科 聽過有些農作物收成後被發現重金屬超標的事嗎?農夫辛辛苦苦種了農作物,到最後卻發現重金屬超標不能食用,真的是很扼腕。但檢查通常只能抽查,所以沒有抽查到的農作物,其實我們也不知道到底有沒有重金屬超標的問題,但是全面檢查又會有成本過高/勞民傷財的問題。如果有辦法可以動態式的偵測植物內含的重金屬含量,是不是會更好呢? 最近麻省理工學院的研究團隊開發了生物奈米感應器,可以偵測植物內的砷(arsenic)含量。這個感應器在砷超標的時候,會送出一個電子郵件到設定好的電子郵件信箱中,這麼一來就不用耗時費事地去偵測了。 研究團隊將這個生物奈米感應器放在菠菜、稻米與鳳尾蕨中測試。為什麼會放在鳳尾蕨中?因為過去的研究已經發現,鳳尾蕨會選擇性的吸收重金屬,可以做為一個有用的對照組。 同樣的研究團隊在過去也開發了可以偵測蟲害入侵以及地雷的生物奈米感應器。 參考文獻: Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.202005683