老葉的植物王國

  圖片來源： 維基百科 菜豆（ Phaseolus vulgaris L）是很受歡迎的豆類。歐美的人吃成熟的果實，如美國南方週一傳統的「紅豆飯」（red bean and rice）；亞洲的人吃未成熟的果實，連莢一起炒來吃。在我在美國的那些年，超市中除了成熟的菜豆，也販售未成熟的連莢果實，稱為snap bean，想是因為容易折（snap）的緣故。台灣生產最多菜豆的地區是屏東，佔全國超過三成；美國產最多菜豆的區域是佛羅里達州。 容易種植也好吃的菜豆，對洪水（flood）卻非常敏感。洪水會使土壤通氣不良，使植物的根缺氧。缺氧後植物無法進行細胞呼吸，只能進行無氧呼吸，靠醣解作用（glycolysis）與發酵作用（fermentation）來捱過缺氧的狀況。過去的研究發現，植物根部在缺氧時，酒精脫氫酶（ADH，alcohol dehydrogenase）的表現量會上升。雖然醣解作用與發酵作用可以幫助植物抵抗缺氧所造成的能量不足，但也無法持續。若缺氧狀況持續，植物將因為發酵作用所產生的副產物（酒精等）而死。 過去發現，如果使用「氧肥料」（oxygen fertilizer）可以降低洪水所造成的損傷。氧肥料分為兩種，一種是液體的氧肥料，其成分為過氧化氫（H 2 O 2 ）。過氧化氫遇到植物的過氧化氫酶（catalase）會被分解為氧氣與水。另一種則是固體的氧肥料，其成分為二氧化鈣（CaO 2 ）或二氧化鎂（MgO 2 ）。二氧化鈣或二氧化鎂遇水會生成氫氧化鈣（鎂）與過氧化氫，然後過氧化氫再被過氧化氫酶分解為氧氣與水。液體氧肥料釋放較快，固體氧肥料釋放較慢。 但是，這些氧肥料是否真的有效呢？最近的研究提供了肯定的答案。研究團隊在洪水來臨前提供了過氧化氫、二氧化鈣（鎂），發現提供過氧化氫的植物在洪水後吸收氮與磷的能力比未提供組要高，與直接通氣組一樣好。提供二氧化鈣（鎂）的組別在植株高度、葉片綠色程度、地上部位重量以及產量都比未提供的組別要好，反應最好的組別是每盆（大約有兩公升的土壤）提供2克的二氧化鈣或4克的二氧化鎂。 所以，是否日後在知道要下大雨前，可以先提供一些二氧化鈣或二氧化鎂的溶液呢？ 參考文獻： Liu, D., Paul, AL., Morgan, K.T. et al. Effects of oxygen fertilization on damage r...

  圖片來源： Current Biology 植物不會動，所以對於外界的種種刺激只能想辦法因應。雖然水分是植物生存所必須，但水太少（乾旱）或水太多（淹水）都屬於所謂的「非生物性壓力」（abiotic stress），會對植物造成傷害。在淹水時，植物（主要是根部）會因為缺氧而酸化，這對於執行正常的生理機能有很大的影響，所以植物勢必要啟動一連串的因應措施。但是，到底是什麼分子負責感應植物淹水時細胞質的酸化，進而啟動壓力反應，過去並不清楚。 最近在阿拉伯芥的研究發現， AtSLAH3 就是負責在淹水時感應細胞質酸化的基因。 AtSLAH3 是個S型陰離子通道（S-type anion channel）。在非洲蟾蜍卵細胞的研究顯示，只需要細胞質的pH值小幅度的改變，就足以啟動 AtSLAH3 。 AtSLAH3 在第330與454胺基酸為組胺酸（histidine），在細胞質酸度上升（pH值下降）時會被質子化（protonation），使 AtSLAH3 從不活化的雙體（dimer）轉變為活化態的單體（monomer），使細胞質的陰離子（主要為硝酸根）流出。 研究團隊發現阿拉伯芥的 AtSLAH3 失去功能時，淹水後出現的壓力反應就降低了，進一步確認了這個基因的功能。未來或許可以藉由調整 AtSLAH3 ，來控制植物對淹水所產生的壓力反應，進一步改善農作物的產量。 參考文獻： Lehmann et al., Acidosis-induced activation of anion channel SLAH3 in the flooding-related stress response ofAra-bidopsis, Current Biology (2021), https://doi.org/10.1016/j.cub.2021