老葉的植物王國

野生大豆（ Glycine soja ）。圖片來源： wiki 野生的植物為了要讓自己的種子能度過嚴苛的環境，有些便演化出了不透水、不透氣的種皮，讓種子可以埋在地裡幾個月不發芽。 不過，雖然不透水、不透氣可以讓種子保存很長一段時間，但在農業上卻不利於耕作。 五千年前，中國華北地區的農夫由野生大豆 （ Glycine soja ） 中選出種皮可以透水的栽培種；栽培種的大豆泡水15分鐘後種子便發脹，一兩天內便可發芽。最近，普渡大學（Purdue University）的研究團隊，為了要找出使野生大豆種皮不透水透氣的關鍵，將野生大豆與栽培種雜交後，終於找到了關鍵基因： GmHs1-1 。（Hs是「堅硬種皮」hard-seeded的意思） 為什麼要找到這個基因呢？有兩個原因。第一，過去的研究發現，種皮較堅硬的大豆，所含有的鈣質較高，也就是說，營養價值較好；第二，美國的氣候較乾燥，傳統栽培種大豆的種皮，因為會透水透氣，使它們在美國的氣候下無法久儲。 研究團隊先將野生大豆與栽培種雜交，得到的雜交第一代，全部都有堅硬的種皮；也就是說，堅硬種皮的基因其實是顯性（dominant）。 接著進一步分析，找到決定大豆種皮的基因應該是位於第二號染色體。這與過去的發現相呼應。接著，研究團隊進一步深入尋找，終於在第二號染色體上找到了 GmHs1-1 基因，是一個類鈣調磷酸酶蛋白（calcineurin-like protein）。野生種大豆與栽培種的 GmHs1-1 ，唯一的差別在於其中一個氨基酸因為基因突變，由蘇氨酸（threonine）變為甲硫氨酸（methionine）。 當他們把野生大豆的 GmHs1-1 轉殖到栽培種大豆之後，栽培種大豆便有了堅硬種皮。同時，轉殖大豆的鈣含量也比栽培種的要高。這個基因主要表現在種皮的Malpighian layer上，使野生大豆的種皮（特別是這一層）比栽培種大豆要厚。 研究團隊分析了195個來自於中國的栽培種大豆，其中只有9個品系帶有野生種的 GmHs1-1 ，剩下的186個品系都是栽培種的序列（即甲硫氨酸突變種）。這個發現也進一步支持研究團隊的假說： GmHs1-1 的確是決定堅硬種皮的關鍵基因。或許附近也有其他基因影響到種皮，但 GmHs1-1 的確有關鍵的決定性。 這個發現，也提供了更多的證據支持戴蒙（Jar...

農作物的演化，一直都是很好的研究題目。由於人為的選擇，使得農作物在短短數百年、千年的時間裡由不起眼、小小變成又大又好吃、令人垂涎欲滴的果實。 過去的考古證據顯示，玉米（ Zea mays ）約在九千年前於墨西哥的巴爾薩斯谷（Balsas Valley）馴化，它的祖先是蜀黍（大芻草，teosinte，下圖最上方）。由於蜀黍與玉米不論是植物型態以及果實大小都相差極大，過去曾經對於到底蜀黍是否真的是玉米的祖先有許多爭議。不過，分子生物技術的進步，使得相關的爭議已經成為過去式了。 由上往下，蜀黍、蜀黍與玉米的雜交種、玉米的果實。 圖片來源： wiki 過去數十年對玉米與蜀黍的研究已經發現，決定他們的型態如此不同的關鍵，共有六個區域。其中兩個位於第一號染色體上，其它四個分別位於二號、三號、四號、五號染色體（1）。有些基因影響到玉米植株的型態，有些則影響玉米的果實。 位於第四號染色體上的區域，便是影響玉米果實的基因所在。玉米的果實大、種子柔軟；而蜀黍的果實不但小，種子外面還有一層硬殼。究竟蜀黍是怎麼變成好吃的玉米呢？ 威斯康辛大學的研究團隊發現，讓蜀黍的硬殼消失的關鍵，竟然就僅僅是一個基因上面的一個氨基酸的改變（2）！ 這個基因稱為「蜀黍穎結構基因1」 tga1 （ teosinte glume architecture1 ）。由於它位於第十八個鹼基的序列從G（鳥糞嘌呤，guanine）變為C（胞嘧啶，cytosine），使得玉米的 tga1 的第六號氨基酸由原來蜀黍的賴氨酸（Lys，lysine）變為天冬酰胺（Asn，Asparagine）。 就只是這麼一個氨基酸的變化，使得玉米的TGA1蛋白，從單純辨認DNA上面的GTAC序列的啟動子結合蛋白（promoter-binding protein），成為抑制基因表現的阻抑蛋白（repressor）。成為阻抑蛋白的玉米TGA1，不只是跟蜀黍TGA1一樣，會辨認DNA上面的GTAC序列，還會兩兩結合形成雙體（dimer），抑制相關基因的表現，使得種子變軟、側枝減少、支持根增生降低（prop roots）。 不過，研究團隊認為，TGA1的突變主要的影響發生在玉米種子上。為什麼會這樣認為呢？因為過去在其他 tga1 基因發生缺失的植物中，也並未觀察到除了果實型態以外的性狀；因此研究團隊認為...

今天一早，就看到一篇 報導 有關擬南芥（阿拉伯芥， Arabidopsis thaliana ）的光敏素B的結晶結構被解出來了。 過去這類的分子一向被認為很難解出結晶結構，主要有幾個原因，包括分子很大（擬南芥的光敏素有一千多個氨基酸）、結構不穩定（光敏素有兩種構形conformation，分別是吸收紅光的Pr與吸收遠紅光的Pfr，而這兩種構形在光敏素與色素分子phytochromobillin結合後，就以不同比例存在；簡單來說，無法提純出100%的Pfr，也沒有100%的Pr。但是如果不跟色素分子結合得到的結晶結構也沒有意義）等因素，使得光敏素要結晶很困難；但是在將光合細菌中的光敏素取得結晶以後，科學家們由細菌的經驗，摸索出如何將高等植物的光敏素結晶的條件，於是有了擬南芥光敏素B的結晶結構（2）。 不過，要把一千多個氨基酸那麼大的蛋白質給結晶還是有相當程度的難處；所以這次的結晶結構是光敏素的前半部，也就是光敏素主要感應光的部分（PSM, photosensing module）。 擬南芥光敏素B（At-PhyB）的PSM，負責感光。 Syn-Cph1與Dr-BphP為藍綠菌與光合細菌的光敏素 圖片取自 PNAS 這部分的結構解出來，對於了解高等植物的光敏素又邁進了一步。雖然擬南芥是個雜草，但是它也是高等植物，而且是十字花科的高等植物，與高麗菜、大白菜等都有親戚關係，所以了解它的光敏素的結構，也可以幫助我們了解更多高等植物對光感應的機制。 怎麼說呢？因為光敏素B是高等植物裡面最重要的光敏素，它在植物的成長、開花、結果上，都佔有重要的角色。 圖片來源網址 由上圖B與C可知，缺少光敏素B（ phyB ，圖B左二以及圖C左二）使擬南芥在幼苗時期（圖C左二）呈現類似「豆芽菜」的狀態：子葉小而色淡、胚軸延長，而在成體（圖B左二）則除了持續有葉片為淺綠色的狀態之外，花莖細軟而長、結果也少。 這些性狀都是因為植物自認為光線不夠所產生的。怎麼說呢？ 葉片小而呈現淺綠色，是因為缺乏光敏素B使得植物感應到光線不夠，因此必需將胚軸/莖伸長以獲取更多光線。同時，在尚未能夠獲取更多光線之前，由於植物認為目前所能獲取的光線並不足以提供正常大小的葉片來進行光合作用，滿足葉片自身的能量需求，因此葉片要長得小一點、裡面的葉綠體數目要少一點（淺綠色），這樣才...

整體馬鈴薯消費量下降，促使德克薩斯農工大學農業生物中心（Texas A＆M AgriLife）的育種專家克賴頓·米勒博士（Dr. Creighton Miller）以及他的研究團隊，致力於培育「設計師」馬鈴薯，來滿足年輕一代的時間限制和獨特的口味（1）。  馬鈴薯提供人體重要的營養物質。這種農作物原產於安地斯高地，約在十六世紀後期傳入歐洲。很難想像，現在是歐美人士重要主食之一的它，在剛傳入歐洲時被當作觀賞花卉，當時在法國，上流社會的女性流行配戴馬鈴薯花。歐洲人一開始完全拒絕食用馬鈴薯，甚至有謠傳吃馬鈴薯會得痲瘋病的說法。後來在德國的腓特烈大帝以及法國的路易十六世的支持下，馬鈴薯在十八世紀終於躍上歐洲人的餐桌，並成為主食之一（2）。 在美國，平均每年每人吃掉113磅（51.3公斤）的馬鈴薯，但整體的馬鈴薯消費量已經普遍地有所下降。 因此，研究團隊正在開發一些獨特的品種，以吸引年輕人與高收入者。這些族群通常比較願意嘗試不同的東西。過去這樣的嘗試，在russets馬鈴薯（一種褐色皮白肉的馬鈴薯，很適合烤、製薯泥以及炸薯條）上得到成功，所以研究團隊認為值得嘗試。 russet 馬鈴薯。這種馬鈴薯褐皮白肉芽眼少，適合製作 烤馬鈴薯、薯泥以及炸薯條。圖片來源： 維基百科 除此之外，育種計劃的主要目標是開發可以適應德克薩斯州環境的品種。 研究團隊目前已開發完成的一些品種，在美國很多區域都適應良好。其中一些成功的品種已經釋出給農民種植，而研究團隊也在開發更多的品種。  今年在Springlake選擇出來的最佳品種是BTX2332-IR，它是一種圓形紅色馬鈴薯。另外，有一種標準白肉白皮的馬鈴薯也在試驗中，它很適合削切。  雖然研究團隊對於培育新的以及改進原有的紅色與russet品種一直有興趣，但最近也有一些其他類型的品種很有意思。其中一類是小馬鈴薯。 小馬鈴薯普及的其中一個原因是因為雙薪家庭。當夫妻倆都工作時，烹調馬鈴薯所需的時間會成為關鍵問題。小馬鈴薯可以微波加熱，很快煮熟上桌；對趕時間的人來說，會方便許多。 其他有意思的品種包括紅皮黃肉或白肉的馬鈴薯，以及紫皮黃肉的馬鈴薯。 這些新種的馬鈴薯即將在未來躍上餐桌，為我們的餐桌增添色彩。 圖片來源： Science Daily 黃肉的馬鈴薯含...

發生於二十世紀中期的綠色革命，包括了品種的改良與化學肥料的使用，使得農作物的產量大大上昇，相同面積的土地可以養活更多人。但是，依靠品種的改良，似乎已經 走到了盡頭 。 根據聯合國的估計，目前地球上的七十億人口中，有十億在飢餓狀態；面對日益增加的人口--在本世紀中葉將超過九十億--以及土地退化、土壤流失、氣候變遷等挑戰，我們要如何養活這麼多人呢？ 最近有不同的研究團隊，都將眼光轉到過去沒有留意過的一個新領域：植物微生物體（Plant Microbiome）。近年來正在進行的 人類微生物體計畫（The Human Microbiome Project ）顯示了跟人類「同居」的微生物有幾十萬億。這些跟人類「同居」的微生物，影響我們的口味、代謝甚至心理狀態。過去對與植物「同居」的微生物的了解，僅限於根瘤菌（Rhizobium）以及一些與植物根部共生的真菌（Mycorrhizae）。現在，科學家們開始著手研究植物的微生物體，而且不僅僅是幾千億住在土壤中的微生物。植物的根、葉和花裡面各自住著大不相同的微生物群落，他們在遺傳上的多樣性可能是其寄主（植物）的數千倍甚至數十萬倍。植物的「微生物體」，很像人類微生物體，使植物更容易獲得養分，並有助於抑制疾病。科學家和農民都認為，了解植物微生物體會是農業的下一件大事。 在豆科植物根瘤（root nodule）中生活的根瘤菌 圖片來源：維基百科 與 Amanita 屬真菌共生的根尖。圖片來源： 維基百科 儘管人類從一萬多年前就開始種田，但是到最近才開始著手深入了解植物和微生物之間的相互作用。例如，北卡羅萊納大學教堂山分校（ the University of North Carolina at Chapel Hill, ）的植物免疫學家Jeff Dangl和他的同事最近發現，土壤中的細菌協助十字花科野生植物決定開花時間。該 研究結果 發表在六月的「生態學快報」（ Ecology Letters ）。而早在2012年，該團隊驚訝地發現，有很多鏈黴菌跟植物一起生活。鏈黴菌通常被用來合成抗生素，或許在植物體內是用來保護植物免受感染。Dangl博士的研究團隊認為，考慮到全球糧食需求增加這個面向，或許理解植物與微生物之間的親密關係，更重要貢獻的是可以提高農業生產力。 植物生技公司也這樣認為。在過去兩年裡，...