跳到主要內容

植物在面對不同種類的養分時是怎麼做決定的?

 

圖片來源:維基百科

氮(N,nitrogen)對植物是非常重要的養分;在植物中,氮的含量僅次於碳、氫、氧,但植物可以從空氣與水中得到碳、氫、氧,卻因為無法分解氮氣(N2)的兩個原子之間那超級強的三鍵,所以不能直接從空氣中得到氮。因此,如何從土壤中取得足夠的氮,就是很重要的課題。

植物可以吸收的氮主要有兩種形式:硝酸根(NO3-)與銨(NH4+)。不同的植物對這兩種化合物各有偏好:水稻比較喜歡銨,而有名的模式植物阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)則比較喜歡硝酸根。

最近的研究發現,當阿拉伯芥在只有銨的介質中,它的根會一直長長,生長點的幹細胞數目會減少,但每個根尖的細胞延長的速度會加快;如果這時候改提供硝酸根,接著就會看到生長點變大(幹細胞的數目變多),細胞延長的速度變慢。

這究竟是怎麼一回事呢?由於調節根部延長的主要賀爾蒙是生長素(auxin),所以研究團隊便以生長素相關的啟動子(DR5)連接螢火蟲的冷光蛋白,觀察養分種類的改變是否會造成生長素的分泌。

結果發現,在把養分從銨轉換為硝酸根一小時時,該啟動子的活性就上升了,顯示轉換為較喜愛的養分種類,可以刺激生長素的活性。仔細分析發現,啟動子活性上升的現象,在表皮比在皮層要高得多。

這是否意味著在提供植物較喜愛的養分後,生長素運送的方向改變了呢?研究團隊先以同位素標定的生長素觀察,發現養分轉換後,更多同位素標定的生長素被運送往朝向地表的方向了。

既然養分種類的轉換會造成生長素的運送方向改變,研究團隊接著把眼光放在與運輸生長素有關的蛋白上。其中在根部最主要負責將生長素運出細胞的蛋白質是PIN2,於是研究團隊便以螢光蛋白標示的PIN2來進行觀察。

研究團隊先以缺少PIN2的突變株進行實驗,發現不論提供給突變株銨或是硝酸根,同位素標定的生長素在植物根裡的分布都沒有改變。接著以螢光蛋白標記的PIN2進行觀察,結果發現當提供的養分由銨轉換為硝酸根時,PIN2在細胞中的分布區域由上下改為左右,這使得生長素的運輸方向也由上下運輸改為向兩側運輸了。

進一步分析發現,養分種類的轉換似乎會造成PIN2的磷酸化狀態改變。而深入分析後發現,PIN2的第439個胺基酸為絲胺酸(serine),這個絲胺酸在養分是銨的時候會被磷酸化,當養分是硝酸根時,它便成為去磷酸化的狀態。PIN2在S439位置的去磷酸化使它向細胞的兩旁移動,接著生長素的運送方向就改變了。

為了要確認這個絲胺酸的確對PIN2在細胞中的位置很重要,研究團隊將這個胺基酸改變為天門冬胺酸(D,aspartic acid)或丙胺酸(A,alanine)。結果發現改變為天門冬胺酸(類似於一直處在磷酸化的狀態)的PIN2聚集在細胞兩旁的比例變少了,而改變為丙胺酸(類似於一直處在去磷酸化的狀態)的PIN2聚集在細胞兩旁的比例變多了。但究竟這兩個突變PIN2蛋白能否影響植物根的生長速度,卻無法定論。

總而言之,植物在遇到較偏愛的養分時,應該是透過改變PIN2在細胞內的位置來影響生長素的運輸方向,接著造成根部生長方向的改變。

參考文獻:

Ötvös K, Marconi M, Vega A, O’ Brien J, Johnson A, Abualia R, Antonielli L, Montesinos JC, Zhang Y, Tan S, Cuesta C, Artner C, Bouguyon E, Gojon A, Friml J, Gutiérrez RA, Wabnik K, Benková E. Modulation of plant root growth by nitrogen source-defined regulation of polar auxin transport. EMBO Journal, 2021

留言

這個網誌中的熱門文章

高麗菜(cabbage)

  圖片來源: 維基百科 小時候在家,媽媽很常做炒高麗菜。用蔥爆香或是加一點豬油渣來拌炒,是餐桌上常見的料理。但是比起空心菜(甕菜)、芹菜、韭菜等味道濃烈的菜,炒高麗菜味道可能真的太平凡了,所以沒有太多印象。 大學畢業後出國唸書,發現國外的高麗菜實在太便宜了!好大一棵高麗菜(英文名稱為cabbage)才十九美分,台幣還不到十元。在生活水準高於台灣的美國,雖然學校提供獎學金,但還是常有捉襟見肘之感,一看到這麼便宜的高麗菜自然是欣喜萬分,想都不想就立刻買了一棵回家煮,卻沒想到滋味與台灣的高麗菜有雲泥之別。美國的高麗菜幾乎沒有菜味,吃起來味同嚼蠟,令人大失所望。雖說如此,但為了省錢,在國外的日子還是很常買高麗菜的。 等畢業到了加州才發現,原來美國的高麗菜與台灣的是不同品系。美國的高麗菜呈圓球型,裡面的葉子很多都還是綠的;台灣的高麗菜呈橢圓球型,裡面的葉子是淺黃色。美國人其實不常吃煮熟的高麗菜,他們多半都是洗乾淨了做生菜沙拉吃。印象中美國人似乎不大喜歡味道濃烈的蔬菜,不只是高麗菜淡而無味,他們的萵苣、茄子、胡蘿蔔味道都比台灣的淡得多了。其實台灣還有味道更好的「高山高麗菜」:尖頭型的高山高麗菜,滋味比橢圓球型的平地高麗菜更好,但在高山上種植高麗菜會造成水土保持不良、導致土石流,所以還是吃平地高麗菜對環境比較友善。 學名為甘藍的「高麗菜」,又名捲心菜、洋白菜、圓白菜、球白菜、大頭菜、蓮花菜、疙瘩白,古名俄羅斯菘 ,不論在東亞或是在歐美,都是很常見的蔬菜。原產於地中海至北海沿岸的甘藍,是十字花科蕓薹屬的二年生草本植物,從羅馬時代就是很受歡迎的蔬菜。不過當時的甘藍並沒有捲心品種,而是長得有點像小白菜的樣子。歐洲人馴化了甘藍後,發現甘藍很容易出現不同的變異,便開始育種產生了花椰菜、青花菜、結球甘藍(也就是俗稱的「高麗菜」)、球芽甘藍等變種。結球甘藍大約在十三世紀時出現,十六世紀時傳入北美洲與中國大陸 ,再輾轉傳入台灣。結球甘藍在台灣最早的紀錄可能是康熙、乾隆年間出版的《台灣府志》,裡面把它稱為「番芥藍」。最近有一篇 關於結球萵苣(或稱為捲心)的研究 ,發現結球萵苣是因為 LsKN1 這個基因遭到一個類CACTA轉位子(CACTA-like transposon)的插入,使它以不完整的形式高度表現後,轉而去抑制另一個基因 LsAS1 的啟動子,造成 LsAS1 基因...

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 。

吃太多光果甘草(liquorice)會有不良作用

  光果甘草。圖片來源: 維基百科 。 光果甘草(liquorice, Glycyrrhiza glabra )又稱為洋甘草,為豆科甘草屬下的一個種,在中國、西亞與南歐都有分布。一般人們會取它的根來製作糖果,在歐美蠻受歡迎的。英文名稱liqurice來自於希臘文的 glycyrrhiza ,意思就是「甜的根」:「 glukus 」意為「甜」,「 rhiza 」意為「根」。它也是中藥甘草的一種,乾燥的根及根莖性味偏涼,加工(蜜炙)後則性味偏溫,各有不同功效。 光果甘草除了可以用來製作糖果,也用於傳統醫學與草藥學。但是光果甘草含有甘草酸(Glycyrrhizin 或 glycyrrhizic acid),如每日每公斤體重服用超過2毫克(2 mg/kg/day)可導致低血鉀、血壓上升、肌肉無力等症狀。 最近發表在《新英格蘭醫學雜誌》上的 一篇文章 提到,一位54歲的建築工人,因為每天吃一包半的光果甘草糖,連吃了幾個星期,結果死於突發的心臟驟停(cardiac arrest)。 醫師認為他的死亡與甘草酸有關。甘草酸是一種皂素(saponin),屬於植物的次級代謝物,由一分子的甘草次酸(glycyrrhetinic acid)與兩分子的葡萄糖醛酸(Glucuronic acid)組成。 甘草糖。圖片來源: 維基百科 。 雖然醫師認為他的死亡與食用大量的甘草糖脫不了關係,但醫師也注意到死者的飲食並不健康。他一向吃很多糖,只是最近幾週改吃甘草糖。 光果甘草與中藥的甘草( G. uralensis )是近親,兩者同屬不同種。中藥的甘草也含有甘草酸,幸好華人文化裡並沒有把甘草做成糖果的習慣,所以應該不會發生甘草酸中毒的情形。 補充:2020/10/10發現了一個影片,裡面提到這個病例以及甘草酸致死的機轉:因為甘草酸的結構跟皮質醇(cortisol)很像,所以會引發類似的效應。 影片裡面提到,現在在美國要買到真的liquorice其實並不容易,大部分都是人工甘味...所以這位仁兄真的很厲害可以買到真的liquorice。 2022/04/07:最近有一篇研究報告提到,甘草酸與甘草次酸有抗癌的活性,而且還能抑制SARS-CoV2的複製。看起來很有趣,但考慮到甘草酸與甘草次酸的毒性,似乎還是要小心使用比較好。 參考文獻: Case 30-2020: A 54-Year-Old ...