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玉米蘑菇是怎麼長出來的?

  玉米蘑菇或玉米烏米。圖片來源: 維基百科 大家吃過「玉米烏米」或「玉米蘑菇」嗎?它是玉米黑粉菌( Ustilago maydis )的菌癭。玉米黑粉菌會寄生在玉米上,如果寄生的部位剛好是果實,就會長出菌癭。 據說墨西哥人很愛吃,還取了名字叫做墨西哥松露(huitlacoche)。筆者吃過一次,覺得還好,不會特別美味。 許多微生物寄生在植物上都會造成菌癭,在台灣最有名的可能是茭白筍。宋朝以前種植茭白,主要是為了吃它的米(菰米,稱為「雕胡」),後來才慢慢演變成吃它受到黑穗菌感染的莖。但是到底為什麼這些微生物會讓植物長出菌癭呢?最近德國的研究發現了關鍵。 在玉米黑粉菌裡面有五個相鄰的基因,稱為 Tip1 到 Tip5 。這五個基因會解除玉米中一個稱為 Topless 的基因對生長素(auxin)合成的抑制。研究團隊發現 Tip1 到 Tip4 都會與 Topless 蛋白的N端結合,從而抑制它抑制生長素合成的功能。當 Topless 不再抑制玉米中生長素的合成,生長素就開始大量產生,而這使得細胞開始加速分裂,於是菌癭就產生了。 參考文獻: Janos Bindics, Mamoona Khan, Simon Uhse, Benjamin Kogelmann, Laura Baggely, Daniel Reumann, Kishor D. Ingole, Alexandra Stirnberg, Anna Rybecky, Martin Darino, Fernando Navarrete, Gunther Doehlemann, Armin Djamei. Many ways to TOPLESS – manipulation of plant auxin signalling by a cluster of fungal effectors. New Phytologist, 2022; DOI: 10.1111/nph.18315
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小豬籠草(Nepenthes gracilis)的死亡陷阱

  圖片來源: 維基百科 食蟲植物百百種,但筆者覺得最可愛的就是豬籠草(pitcher plant)了。變形的葉片形成一個個「籠子」,籠底有消化液,當好奇的小昆蟲走入籠中,不小心失足滑落,就會被消化液淹死後再被分解,成為植物的盤中飧。 但可別以為所有的豬籠草只是有不同大小的籠子而已。之前曾介紹過的萊佛士豬籠草( Nepenthes rafflesiana ,Raffles’ pitcher plant)在每天中午前後的幾個小時之間籠子內側會變得不滑。這時候,附近的螞蟻就會跑到籠子裡面去採食它的蜜汁(nectar);利用這樣的機制,它可以多抓36%的蟲兒。 本文要介紹的小豬籠草( Nepenthes gracilis )就更厲害了。這種極為常見的豬籠草,在雨滴打到它的蓋子時,它的蓋子會向著籠子裡面彈射。這個彈射的動作,會把停留在蓋子上面的蟲兒一一彈到籠子底部。 從上面的影片可以看到,水滴在蓋子上時,蓋子只會往裡彈,蟲兒就掉進去了。這顯然是有個類似彈簧的機制。這麼厲害的彈簧,到底是在哪裡呢?原本研究團隊以為是在蓋子的開關處,後來發現,其實是位於籠子上。 為什麼「彈簧」要長在籠子上而不是蓋子上呢?研究團隊認為,這樣蓋子的形狀不會受到影響,而且蓋子在彈射的時候,也不會亂晃。另外是,「彈簧」位於籠子上也讓蓋子被雨滴滴到時,只會彈一兩下就靜止了,如此一來就會持續有好奇的小蟲爬上蓋子。 由於熱帶雨林中常會降雨,位於雨林底部的豬籠草,主要是接受從樹冠上滴落下來的雨水;隨著雨水一滴滴地落下,好奇的小蟲便一隻隻地落入底部啦! 參考文獻: Anne-Kristin Lenz, Ulrike Bauer. Pitcher geometry facilitates extrinsically powered ‘springboard trapping' in carnivorous Nepenthes gracilis pitcher plants. Biology Letters, 2022; 18 (8) DOI: 10.1098/rsbl.2022.0106

六千年前我們的老祖宗就在啃瓜子?!

  在利比亞考古遺址找到的西瓜種子。 圖片來源 。 公認發源於非洲的西瓜( Citrullus lanatus ),是葫蘆科西瓜屬的藤本植物。 雖然西瓜已經被公認為發源自非洲,但數千年前的西瓜到底它的瓜肉是苦的還是甜的,卻不太清楚。 最近一項研究發現,六千年前的西瓜的瓜肉應該是苦的!最早關於西瓜的考古發現是位於尼羅河谷,現在為利比亞的領土內的Uan Muhuggiag遺址。 西瓜屬之下共有七種植物,它們的種子長得非常相似,光靠外表無法區分。因此,華盛頓大學的考古團隊定序了六千年前的西瓜種子。他們同時也定序了3,300年前的西瓜種子(於南蘇丹發現),並且定序了從1824到2019年收集的西瓜屬植物種子。 分析的結果發現,六千年前的西瓜的基因體與現在的黏籽西瓜( Citrullus mucosospermus )最相近,而黏籽西瓜的瓜肉是苦的。 研究團隊認為,古人種植西瓜應該不是要吃瓜肉,而是把它的種子烤來吃或煮來吃。 參考文獻: Osca A. Pérez-Escobar et al. Genome sequencing of up to 6,000-yr-old Citrullus seeds reveals use of a bitter-fleshed species prior to watermelon domestication. Molecular Biology and Evolution, published online July 30, 2022; doi: 10.1093/molbev/msac168

水稻增產四成以上不是夢!

  圖片來源:維基百科 隨著地球上人口增加、耕地卻無法擴展,如何在有限的土地上提升作物的產量就成為重要的課題了。也有許多團隊努力地朝著這方面去進行研究,但能增加的產量大約都只在一、兩成。 最近由來自中國的研究團隊,發表在《科學》雜誌上的研究,卻有了驚人的進展!研究團隊在水稻中發現了一個轉錄因子(transcription factor) OsDREB1C ,當它高度表現時,可使水稻增產41.3%到68.3%。 這麼厲害的轉錄因子是怎麼發現的?研究團隊比較了水稻與玉米的轉錄體(transcriptome)與代謝體(metabolome),找到了118個轉錄因子可能與調節C4光合作用有關。 為什麼要找跟調節C4光合作用有關的基因?過去的研究已經證明,C4光合作用的確比C3光合作用要有效率得多,但是主要的穀類作物除了玉米以外都是C3作物。想把C3作物改造成C4作物並非易事,因此研究人員想要找到影響C4作物產量的基因。 從這118個基因中,研究團隊找到了 OsDREB1C 。這個轉錄因子屬於AP2/ERF家族,在受光照射或低氮環境中表現量會上升。研究團隊在細胞質與細胞核中都可以看到它,實驗也發現它的確可以與DNA結合並影響基因的表達。 哪些基因的表達受到它的影響呢?研究團隊發現,最主要受影響的基因有五個,其中一個是直接與光合作用的效率有關( OsRBCS3 ),另外三個則與氮的運輸、吸收有關( OsNR2 、 OsNRT2.4 、 OsNRT1.1B ),最後一個則與開花時間有關( OsFTL1 )。 實驗的結果發現, OsDREB1C 會透過與 OsRBCS3 的啟動子(promoter)以及其他四個基因的外顯子(exon)的序列結合,讓這五個基因的表現量上升。測試發現,高度表現 OsDREB1C 的水稻,不僅每個小穗的穀粒數目增加、穀粒也變大。高度表現 OsDREB1C 的水稻其光合作用效率上升,氮的利用效率也顯著提升,而且開花時間也提早了13到19天。 研究團隊從2018-2021年在中國的北方、東南方與南方進行田間試驗,結果發現高度表現 OsDREB1C 的水稻,其產量至少提升了四成,甚至可達近七成。這是非常驚人的產量增加,過去任何研究都無法達其項背。更棒的是,研究團隊在小麥中也發現了同源基因,而高度表達同源基因的小麥,也可有兩成左右的增產。 雖然是基改,但如果能在

土沈香(Aquilaria sinensis)的種子如何靠昆蟲快速散播

  土沈香的果實。圖片來源: 維基百科 土沈香( Aquilaria sinensis )原生於中國,是沈香屬的喬木。其樹脂帶有香氣,被製成名貴的香料。因為遭到任意砍伐,目前是中國的國家二級保護植物,明令禁止砍伐,但仍有人為利益而盜伐。 沈香的種子極易失去活性,成熟後果實會開裂,這使得種子逐漸乾燥,而乾燥後的種子就不能發芽了。這個現象讓科學家感到非常好奇,在自然界的沈香,是如何能在很短的時間內讓種子找到合適的地點呢?最近一項研究解開了這個謎題。 研究團隊發現,在沈香果實成熟後,裂開的果實便會散發小分子的醛、酮、醇與酸。這些小分子大約介於五到九個碳,會吸引三種胡蜂屬( Vespa )的昆蟲。 這三種胡蜂會把果肉吃掉,但不能消化的種子就會被到處亂丟。平均散播的距離大約是166公尺。只要種子被丟在潮濕的地區--這是沈香種子喜歡的環境--種子就有機會可以發芽,長成大樹。 研究團隊分析了這些小分子揮發性化合物,發現很多都與植物受傷時會分泌的揮發性化合物很像。通常植物只有在被啃咬時才會分泌這些化合物,也就是說,有這些化合物的存在象徵著這裡可能有吃草的昆蟲,對於肉食的胡蜂們當然是很好的資訊,於是牠們就飛過來了。到了以後卻沒有蟲而只有土沈香的果實,對胡蜂來說可能是「沒魚蝦也好」吧!於是牠們就在無意中幫土沈香給散播種子了。 參考文獻: Current Biology. https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.06.034 

塑膠微粒(microplastics)影響植物生長

  小扁豆。圖片來源: 維基百科 塑膠的污染已經是無法避免的問題, 過去的研究 也發現植物會吸收塑膠微粒,但是究竟塑膠會不會影響植物生長呢? 大片的塑膠混雜在泥土中會干擾植物根部生長發育,而塑膠微粒(microplastics)則會被植物吸收,進入植物的運輸系統(如導管xylem)。 最近一項日本的研究發現,塑膠微粒的確會對植物的生長發育造成影響。 研究團隊以小扁豆(lentil, Lens culinaris )為材料,將小扁豆種子暴露在不同濃度的聚乙烯塑膠微粒(直徑為740-4990奈米)中七天,以儀器偵測植物的活性(種子發芽)。 研究團隊發現,暴露在聚乙烯塑膠微粒的植物,從第六個小時開始生長活性就下降了;而這些植物的抗氧化酵素活性也上升了,顯示植物正在對抗生物壓力。 隨著聚乙烯塑膠微粒的濃度上升,生長活性下降的趨勢也更加明顯,顯示生長活性下降的確與聚乙烯塑膠微粒有關。 台灣的農民常會使用聚乙烯塑膠布來覆蓋泥土表面,以抑制雜草生長;但是這些塑膠布在田地裡風吹雨打後脆化、氧化,逐漸破碎形成塑膠微粒污染土壤,這樣下去,對農作物的產量必然會產生不好的影響,實在不能輕忽呢! 參考文獻: Y. Sanath K. De Silva, Uma Maheswari Rajagopalan, Hirofumi Kadono, Danyang Li. Effects of microplastics on lentil (Lens culinaris) seed germination and seedling growth. Chemosphere, 2022; 303: 135162 DOI: 10.1016/j.chemosphere.2022.135162

契斯曼尼番茄(L. cheesmanii)

  圖片來源 番茄醬當然是番茄做的,但是用來做番茄醬的番茄卻不是一般我們吃的番茄。 為什麼會這麼說呢?難道鮮食番茄不能用來做番茄醬嗎?當然是可以的,只是在工業化大量生產時,為了降低成本,番茄要用機器採收。機器會把番茄從根部砍斷,然後搖晃整株番茄,讓番茄從植株上掉落。如果要用人工採收,成本就會提高太多。 機器採番茄在二次世界大戰時就開始研發了。可是當時遇到的最大困難就是番茄不容易掉落,所以機器要非常用力的搖晃番茄,造成「被送進機器裡的番茄像是被蹂躪過,變成一灘爛泥,裡面還混著泥土。」 要怎麼讓番茄容易掉落呢?只能從番茄本身去進行基因改良了。沒想到就在那段時間,查爾斯‧瑞克(Charles Madera Rick)在加拉巴哥群島(對,就是達爾文去過的那個島)發現了契斯曼尼番茄。這種番茄的果實是橘色的(請見上圖),果實特別容易脫離枝枒。 這個性狀正是工業用番茄所需要的,但是瑞克把種子帶回去播種,種子卻不發芽。 瑞克嘗試了很多方法,種子說什麼就是不發芽。有一天,他忽然想到會不會需要動物消化以後才能發芽呢?於是他先讓鳥類吃下這種番茄的種子,但是還是沒有用。 後來他想到會不會不是鳥,而是加拉巴哥群島上常見的象龜呢?這個想法值得一試,但是哪裡找得到象龜?這時候他忽然想到有位在柏克萊的朋友有兩隻象龜,於是他請這位朋友餵象龜吃番茄種子,再收集糞便寄給他。沒想到這麼一搞,番茄的種子真的發芽了! 有了番茄植株,接著瑞克就可以進行研究,後來發現讓番茄果實特別容易掉落的基因是所謂的 j-2 基因。將這個基因雜交進入一般的番茄,從此機器採收番茄就變得容易許多,不再會把番茄撞爛了。 所以契斯曼尼番茄可說是促成工業番茄生產的大功臣呢! 參考文獻: Jean-Baptiste Malet。 餐桌上的紅色經濟風暴 。寶鼎出版。