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目前顯示的是 12月, 2020的文章

磷脂酶Dα1 (Phospholipase Dα1 )與根瘤(root nodule)

  圖片來源:維基百科 根瘤(root nodule)是根瘤菌與植物互動後所產生的構造。植物發育出根瘤,提供根瘤菌適合的環境來進行固氮作用;根瘤菌生活在根瘤中,將固氮後的產物提供給植物,而植物則提供其他的養分做為交換。雖然遠從19世紀末(1888)年就有人發現根瘤內的細菌可以固氮,但根瘤形成中到底發生了多少事件?有多少植物的、根瘤菌的基因參與了這個過程?目前還是不完全清楚。 最近有研究團隊發現,磷脂酶Dα1(Phospholipase Dα1 ,PLDα1)與其產物磷脂酸(phosphatidic acid,PA)與大豆的根瘤形成有關。 研究團隊發現,磷脂酶Dα1在大豆被根瘤菌感染後便活化,接著就觀察到其產物磷脂酸的量上升,同時也觀察到與細胞骨架成分肌動蛋白(actin)以及微管蛋白(tubulin)相關基因的表現量也改變。 當研究團隊以正丁醇處理大豆根部時,磷脂酸的量會下降,同時大豆內與根瘤形成相關的早期基因表現量也下降,造成大豆根瘤的數目減少。 如果把磷脂酶Dα1基因給過度表現或剔除,磷脂酸、根瘤數目都產生改變(在過度表現的植株中,磷脂酸含量上升;而剔除的植株中磷脂酸含量下降了54%);與根瘤形成相關的早期基因也發生變化;生長素(auxin)與離層酸(ABA)的濃度在過度表現的植株中上升、在剔除的植株中下降;但茉莉酸(JA)的濃度卻呈現相反的趨勢。 由此可知,磷脂酶Dα1對大豆根瘤形成很重要,而且其影響似乎是在根瘤形成的早期。當然,還需要更進一步的研究來瞭解究竟磷脂酶Dα1對大豆根瘤形成的影響。 參考文獻: Zhang, G., Yang, J., Chen, X., Zhao, D., Zhou, X., Zhang, Y., Wang, X. and Zhao, J. (2020), Phospholipase D‐ and phosphatidic acid‐mediated phospholipid metabolism and signaling modulate symbiotic interaction and nodulation in soybean (Glycine max). The Plant Journal. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1111/tpj.15152

捲心萵苣(lettuce)為何捲心?

  圖片來源: 維基百科 有些菜(如高麗菜、白菜、萵苣等)會出現「捲心」的性狀:葉片一片片往內捲,形成一個圓球。這樣的性狀到底是怎麼形成的,過去一直都不是很清楚。 最近的研究發現,萵苣之所以會有捲心的性狀,是因為 LsKN1 這個基因的高度表現所造成。 但是這個基因高度表現的方式很特別喔~研究團隊發現,在捲心萵苣中, LsKN1 基因的第一個外顯子(exon)被插入了一個類CACTA轉位子(CACTA-like transposon)。這個轉位子的作用類似於一個啟動子(promoter),於是插入 LsKN1 這個基因便以不完整的形式高度表現,而這個高度表現的突變基因接著便去找尋另一個基因 LsAS1 的啟動子,抑制它的表現,造成葉片往內捲(捲心)的性狀。 不知道在高麗菜與大白菜中,是否有類似於 LsKN1 與 LsAS1 的基因呢?是否也擔任了類似的角色?研究團隊發現,插入LsKN1的這個轉位子,並不存在於野生種的萵苣中,所以到底類似的基因是否存在於其他有捲心性狀的蔬菜裡,還需要更多的研究來釐清。 參考文獻: Upregulation of a KN1 homolog by transposon insertion promotes leafy head development in lettuce Changchun Yu, Chenghuan Yan, Yuling Liu, Yali Liu, Yue Jia, Dean Lavelle, Guanghui An, Weiyi Zhang, Lei Zhang, Rongkui Han, Robert M. Larkin, Jiongjiong Chen, Richard W. Michelmore, Hanhui Kuang Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2020, 117 (52) 33668-33678; DOI: 10.1073/pnas.2019698117

公元前二世紀的地中海居民的食譜

  薑黃。圖片來源: 維基百科 古人不刷牙,所以牙結石常常成為重要的考古資源。最近一項針對十六名黎凡特(Levant)南部居民牙結石的研究發現,大約在公元前二世紀時,當地的居民就已嚐過大豆、香蕉與薑黃了。 研究團隊檢驗了十六名居住在米吉多(Tel Megiddo)與Tel Erani的居民的牙結石,分析牙結石中的植矽體(phytolith)與蛋白質顆粒後,發現當地居民除了食用小麥、小米與椰棗(date palm),也食用大豆、香蕉與薑黃(tumeric)。 在植矽體中,研究團隊發現了小麥、小米與椰棗的植矽體;而蛋白質顆粒中則有穀類、芝麻、大豆、香蕉及薑黃。 有意思的是,許多保留在牙結石中的蛋白質,在現代的研究中發現它們會導致過敏反應(如麩質)。這些蛋白質為何能被完整地保留在牙結石中,可能是因為它們的耐熱性較好。 研究團隊從在米吉多的一名居民的牙結石中發現了薑黃與大豆的蛋白質顆粒。香蕉的蛋白質顆粒則是由在Tel Erani的一位居民的牙結石中發現。 研究團隊認為這些外來作物可能是來自於南亞。這顯示了當時應該就存在著跨洲貿易。 這個發現把大豆、薑黃與香蕉的傳播往前推了數百年(薑黃)乃至數千年(大豆)。 註:黎凡特(Levant)相當於東地中海地區。根據維基百科,Levant這個字原意為「義大利以東的地中海區域」。 參考文獻: Ashley Scott et al. Exotic foods reveal contact between South Asia and the Near East during the second millennium BCE. PNAS, published online December 21, 2020; doi: 10.1073/pnas.2014956117

雖不滿意,但還可以接受的共生關係?

  圖片來源: 維基百科 原生於北美東部區域與加拿大的斑點鈍口螈( Ambystoma maculatum )是俄亥俄州與南卡羅萊納州的州兩棲動物。除了黑黑的身體、菊黃色的點點比較特別以外,左看、右看,就只是隻蠑螈,有什麼特別的? 有喔!斑點鈍口螈與一般蠑螈不一樣的點在於:牠是唯一會在自己的生活史中與藻類共生的蠑螈,也是唯一有這個現象的脊椎動物喔!在1888年首先由奧爾(H. Orr)觀察到胚胎中有綠藻,雖然當時不清楚綠藻與蠑螈之間的關係,但是奧爾還是寫下了「我尚未發現藻類是如何進入細胞的,也沒有發現它們對胚胎呼吸有什麼生理影響,但它們很可能對後者有重要的影響」的結論。在1910年藍伯特(F.D. Lambert)將胚胎內的單細胞綠藻命名為 Oophila amblystomatis 。Oophila 是「喜愛卵的」(字首oo-是卵,字尾-phila是喜愛、親近),amblystoma是斑點鈍口螈的屬名。到了1942年,吉爾伯特(P.W.Gilbert)觀察後發現,綠藻主要分佈於卵的中膜(middle envelope),但內膜與外膜也都可以觀察到 。 過去的觀察認為綠藻與蠑螈之間存在著共生關係:蠑螈胚胎提供代謝廢物(二氧化碳與含氮廢物等)給綠藻進行光合作用所需的碳源與代謝所需的氮源;而綠藻進行光合作用所產生的醣類與氧氣則成為蠑螈胚胎生長發育所需的養分。吉爾伯特的觀察也發現:一樣有綠藻在內的胚胎,照光的胚胎比不照光的大約早一週孵化,顯示綠藻與蠑螈的共存至少對蠑螈可能是有益的。  但是這樣的關係對綠藻是否有益呢?而對蠑螈是否真的也有好處?為了深入了解究竟牠們之間是否是真的「和樂融融」,美國的一群科學家將蠑螈與綠藻細胞的信息RNA(messenger RNA,mRNA)抽取出來進行定序與個別的定量分析,以了解究竟綠藻與蠑螈之間的關係是否真的「如膠似漆」呢 ? 為什麼分析mRNA的種類與含量分析,可以了解綠藻與蠑螈之間的關係是否融洽呢?當細胞要將自己的基因表現(也就是讓基因發揮應有的功能)出來時,通常會先透過轉錄(transcription)產生mRNA之後,再將mRNA轉譯(translation)為蛋白質。所以只要看看目前細胞內含有的mRNA的組成、以及這些mRNA量的多少,就可以了解生物目前基因表現的狀態;當然也就知道,目前這個生物究竟是有沒有感受到環境壓力等等。

2020年十大點閱文章

 眼看著2020年快過完了,回顧過去這一年我們也刊登了不少有趣的科學新知,哪些最受到版友的青睞呢?就讓我們來回顧一下吧! 圖片來源: 維基百科 第十名: 嫁接(grafting)成活的關鍵:β-1,4-葡聚醣酶(β-1,4-glucanases) 嫁接是農業上很常用的技術,不只用在同種上,也會用在異種上。到底成功的關鍵是什麼?這篇做了很多細緻的研究,發現修飾及重建細胞壁的酵素β-1,4-葡聚醣酶能否成功表現很重要。 第九名: 大豆蛋白分解出來的雙肽(dipeptide)可降低記憶缺損 日本的研究發現,大豆蛋白分解所產生的雙肽 Tyr-Pro(酪胺酸-脯胺酸)不僅可以通過血腦障壁,在動物實驗中還被發現可以降低小鼠被β澱粉樣蛋白所引發的記憶受損症狀。 第八名: 影響水稻節間(internode)延長的基因 日本研究發現,在深水稻中才有功能的 ACE1 ( ACCELERATOR OF INTERNODE ELONGATION 1 )會與吉貝素(GA,gibberellic acid)共同作用來使水稻的節間延長。 第七名: 土壤(soil)的味道 土味來自於放線菌家族的鏈黴菌(Streptomyces)釋放出的土臭素(geosmin)和2-甲基異冰片醇(2-methylisoborneol,2-MIB),到底為什麼鏈黴菌要釋放出這些化合物呢?這篇研究告訴了我們答案。 第六名: 低溫下的C4植物 C4植物在低溫下產量會低於C3植物,如何提高它的產量,讓它在溫帶區域也能有令人滿意的收穫呢? 第五名: 植物如何對毛毛蟲的啃咬作出反應? 研究團隊發現大豆的「類受器激酶」(RLK,receptor-like kinase)與植物對毛毛蟲的啃咬產生反應有關。 第四名: 四千兩百年前的降溫事件讓稉稻傳播更遠 紐約大學一項結合了基因分析、考古學與古氣候學的研究發現,發生在4,200年前的一次全球性重大降溫事件可能導致了新水稻品系的演化以及水稻向亞洲北部和南部的擴散。 第三名: 添加「電纜細菌」(Desulfobulbaceae)可以降低水田的甲烷排放 水稻是世界上最重要的農作物之一,但是水田的甲烷排放一直都是一個傷腦筋的問題。這篇研究發現,在水田中添加電纜細菌可以成功地降低甲烷排放。 第二名: 缺氮的植物葉片會向根部傳信 氮是植物重要的養分之一,最近的研究發現,擬南芥( Arabidop

槲寄生(mistletoe)的粒線體不能產生ATP

  冬天的檞寄生。圖片來源: 維基百科 槲寄生(mistletoe),又名桑寄生,是一種寄生植物。它的葉片可進行光合作用,但根部附著在植物上,吸取寄主植物的養分維生。國外聖誕節時會在門上懸掛槲寄生,傳統認為若一男一女同時經過槲寄生之下,他們要親吻。 2015年的研究發現,槲寄生的寄生生活讓它的粒線體(mitochondria)喪失了大部分的基因。槲寄生的粒線體基因只有66kb,比其他植物的要小了3.3倍。 這麼小的基因體,少了什麼呢?研究團隊發現,它幾乎失去了所有的電子傳遞鏈第一個蛋白質複合體(complex I,NADH dehydrogenase)的基因。 失去了這些基因意味著檞寄生不能進行細胞呼吸作用(cellular respiration)的電子傳遞鏈(electron transfer chain)。會不會這些基因其實被轉移到植物的細胞核裡呢?這是有可能的,畢竟槲寄生的基因體是人類的24倍。但是,三個不同的研究團隊進行的研究都發現,這些基因並沒有被轉移到細胞核,它們就是不見了。 少了電子傳遞鏈,槲寄生如何生活呢?有些證據發現槲寄生的醣解作用(glycolysis)活性較高,或許就像癌細胞一樣,槲寄生是依賴醣解作用維生;也有科學家認為,或許槲寄生的緩慢的生長速度讓它不需要這麼多ATP;也有科學家認為,槲寄生可能是直接從宿主偷ATP與糖過來,所以不需要粒線體來產生ATP。不管怎麼說,槲寄生的粒線體應該是不能產生ATP,而在這樣的狀況下,它如何維持自己的能量需求,是個非常有趣的課題。 參考文獻: The Mystery of Mistletoe’s Missing Genes . Quanta. A bizzare mitogenome in a parasitic plant. Elizabeth Skippington, Todd J. Barkman, Danny W. Rice, Jeffrey D. Palmer Proceedings of the National Academy of Sciences Jul 2015, 112 (27) E3515-E3524; DOI: 10.1073/pnas.1504491112

野生阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)的生物時鐘差異

  阿拉伯芥。圖片來源: 維基百科 阿拉伯芥( Arabidopsis thaliana ,又名擬南芥)因為植株小、種子多、基因體小、生命週期短、基因中內含子(intron)不長,在最近這幾十年來成為很受歡迎的模式植物(model plant)。這種原生於歐亞非三洲溫帶的野草,在野外也存在著不少的生態型(ecotype)。 收集阿拉伯芥在野外的生態型並進行研究,已成為瞭解基因功能的方法之一。最近英國的研究團隊研究在瑞典收集到的191個阿拉伯芥的生態型,找到一個對生物時鐘(circadian rhythm)影響相當大的基因。 研究團隊先在攝氏22度下將幼苗於12小時光照/12小時黑暗的循環下培育到14天大,接著便以24小時光照的狀況於攝氏22度下觀察植物的生物時鐘。結果發現不同生態型的阿拉伯芥的生物時鐘長度差異可達4.42小時:最長的為25.7小時、最短的為21.28小時。 綜合觀察發現,具有短週期的植物多半分布在北方,具有長週期的植物多半分布在南方。植物所在的海拔高度,對週期的長短沒有影響。南方的植物遺傳多樣性較高,基因體較小;北方的植物遺傳多樣性較低,基因體較大,且有較多的抗旱基因。研究團隊認為,遺傳多樣性的不同可能是因為過去冰河曾覆蓋北方較久的緣故。 進一步研究週期最長與最短的生態型發現,一個稱為 COR28 (cold-regulated gene 28)的基因在第58號胺基酸上的不同,對於週期的長度有很大的影響。由色胺酸(tryptophan,W)變為絲胺酸(serine,S)使得週期長了1.29個小時。這個基因在阿拉伯芥中過去曾發現與開花時間、抗凍以及生物時鐘有關。從色胺酸到絲胺酸的改變,不僅造成週期變長,開花時間也變晚了。 近年來的全球暖化,造成植物可在更高緯度的區域生長;但是更高緯度的區域其日照週期較長,對許多農作物的生長發育會造成影響。這個研究找到了單一基因可影響生物時鐘的長度,未來或許可進一步應用在作物的改良上,讓更多的作物可以在北方生長茁壯。 參考文獻: Hannah Rees, Ryan Joynson, James K.M. Brown, Anthony Hall. Naturally occurring circadian rhythm variation associated with clock gene loci in Swedish

讓葉片可以用來榨油

  大腸桿菌的乙醯輔酶A羧化酶。圖片來源: 維基百科 人類從很早就知道用植物種子來榨油。可是用種子來榨油有個壞處:這株植物其他的部位幾乎都沒有用處,浪費了很多資源。 最近美國的研究團隊發現了三個位於葉綠體膜上的蛋白質。這三個蛋白質負責與進行脂肪酸合成的 乙醯輔酶A羧化酶(Acetyl-CoA carboxylase)的次單元α-羧基轉移酶(α-CT,α-carboxyltransferase)進行互動,使脂肪酸的合成受到限制。 研究團隊發現,如果把負責產生這三個蛋白質的基因給剔除,可使葉片中三酸甘油酯(TG,triaceylglycerol)的合成上升四倍;如此一來就可以直接從葉片中萃取油脂了。 過去的研究都是著眼在讓植物的種子產生更多脂肪。這樣的方法雖然可行,但是會造成種子中的蛋白質含量減少,反而造成大豆的營養價值扣分。如果提升葉片中脂肪含量的方法可行,或許可以在不影響種子的養分含量的狀況下,讓大豆的葉片變得更有價值。 參考文獻: Yajin Ye, Krisztina Nikovics, Alexandra To, Loïc Lepiniec, Eric T. Fedosejevs, Steven R. Van Doren, Sébastien Baud, Jay J. Thelen. Docking of acetyl-CoA carboxylase to the plastid envelope membrane attenuates fatty acid production in plants. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-20014-5

氮肥與磷肥的污染不只會產生藻華(algae bloom)

  石蠅的一種( Eusthenia sp.)。 圖片來源: 維基百科 自從化學肥料於二十世紀上半葉發明以後,傳統農業不再依賴由有機物所製作的堆肥,改為施放化學合成的氮肥與磷肥。但是化學合成的氮肥與磷肥是帶負電的硝酸根與磷酸根,而土壤的顆粒也帶負電,這使得這些化學肥料很容易在降雨或灌溉後流入溝渠,進而污染溪流、湖泊與海洋。 過去許多研究都已發現,當水體中的氮與磷增加後,會造成藻類大量增生而產生藻華;藻華讓水下的植物無法進行光合作用,最後導致死亡海域。 但是藻類的生長需要光線,在光線不足的水域,氮與磷的污染又會產生什麼樣的影響呢? 最近美國的研究團隊綜合了184篇論文的885個研究所進行的薈萃分析發現,在光線不足的水域,過多的氮與磷會使得落葉加速腐爛,使以落葉為食的石蛾(caddisfly)與石蠅(stonefly)大量繁殖;而在光線充足的水域,藻華會使以藻類為食的昆蟲以及以這些昆蟲為食的魚類大量生長。整體來說,氮與磷的污染使得水域中的生物質量增加了48%,且這個現象在氮與磷同時出現的時候最明顯。 過去的研究只偵測葉綠素 a 的含量,因此無法得知氮與磷的污染對光線不足的水域產生什麼樣的影響。 總而言之,合理的施肥不僅可以減少浪費,更可以預防氮與磷污染所造成的生態改變! 參考文獻: Marcelo Ardón, Lydia H. Zeglin, Ryan M. Utz, Scott D. Cooper, Walter K. Dodds, Rebecca J. Bixby, Ayesha S. Burdett, Jennifer Follstad Shah, Natalie A. Griffiths, Tamara K. Harms, Sherri L. Johnson, Jeremy B. Jones, John S. Kominoski, William H. McDowell, Amy D. Rosemond, Matt T. Trentman, David Van Horn and Amelia Ward. Experimental nitrogen and phosphorus enrichment stimulates multiple trophic levels of algal and detrital-based food webs: a globa

玉米的馴化(domestication)是動態的

  圖片來源: PNAS 玉米( Zea mays )於9,000年前在墨西哥西南部開始馴化。過去的研究也已經知道,玉米的祖先是大芻草(teosinte)。 過去科學家們認為,玉米是在中美洲完成馴化後,才向南美洲傳播的;但最近美國與英國的研究團隊在洪都拉斯的發現,推翻了這個認知。 在洪都拉斯的El Gigante rock shelter有橫跨一萬一千年的植物殘骸。科學家們嘗試著定序其中三十個樣品,但只有三個樣品適合被定序。這三個樣品大約都是兩千多年前的樣品。 分析序列的結果發現,玉米在中美洲開始馴化後兩千年開始傳播到南美洲,後來中美洲的「新」品系又被人類攜帶到南美洲,並與南美洲當地的品系雜交;雜交後的玉米有些又被帶回中美洲。 這個發現顯示了,作物的馴化是一種動態的變化,隨著人類的移動,共生物種(commensal species)被帶到新的地點繁殖,也與當地原有的作物品系發生雜交,再產生新的品系;而後當人類再度遷移時,新品系的作物又再度被帶到下一個地點... 參考文獻: Logan Kistler et al. Archaeological Central American maize genomes suggest ancient gene flow from South America. PNAS, published online December 14, 2020; doi: 10.1073/pnas.2015560117

找尋打敗超級雜草的其他方式

  帕爾默莧菜。圖片來源:維基百科 隨著除草劑的大量使用,有些雜草:如 帕爾默莧菜(Palmer amaranth, Amaranthus palmeri ) 與莧科的 Amaranthus tuberculatus 已經發展出了對除草劑的抗性。由於這些雜草已經不怕嘉磷塞(glyphosate,商品名為年年春),造成要消滅它們非常不容易。 是否還有其他的方法能夠對付這些超級雜草呢?伊利諾大學的研究團隊想到,如果能讓所有(或絕大部分)的雜草都不能產生種子,那麼就可以控制雜草的數量。 這方法說來容易做來難,畢竟90%的種子植物都是雌雄同體,只有10%左右的種子植物是有公有母。不過,帕爾默莧菜與 Amaranthus tuberculatus 剛好就是有公有母的種類。 研究團隊分析了這兩種植物的序列之後,將這兩種植物中決定雄性性別的區域(稱為MSY區域,male-specific Y)縮小到121個基因(帕爾默莧菜)與147個基因( Amaranthus tuberculatus )。 有意思的是,雖然這兩種植物同屬,但在這一百多個MSY區域基因裡面,它們只有兩個基因是共同的。其中有一個是 Florigen ,為植物用來感應日照長度並決定是否開花的基因。雖然不清楚到底開花的基因是否與MSY有關,但研究團隊會繼續研究,找出決定雄性性別的基因,也希望可以透過這個研究,找到控制雜草性別的方法,達成控制雜草數量的目的。 參考文獻: Jacob S. Montgomery, Darci A. Giacomini, Detlef Weigel, Patrick J. Tranel. Male‐specific Y‐chromosomal regions in waterhemp ( Amaranthus tuberculatus ) and Palmer amaranth ( Amaranthus palmeri ). New Phytologist, 2020; DOI: 10.1111/nph.17108

吃胡蘿蔔可以降膽固醇,但是要先有個「好」基因

  圖片來源: 維基百科 胡蘿蔔的橘色來自β-胡蘿蔔素(β-carotene)。最近的一項研究發現,從β-胡蘿蔔素合成維生素A(vitamin A)的反應可降低血液中的壞膽固醇,從而達到預防粥狀動脈硬化的目的。 來自美國伊利諾州的研究團隊分析了767個17-25歲的健康成人後發現,負責將β-胡蘿蔔素轉為維生素A的β-胡蘿蔔素加氧酶1(β-carotene oxygenase 1,BCO1)的活性高低與血液中壞膽固醇水平有相關性:具有較高β-胡蘿蔔素加氧酶1活性的人,其血液中的壞膽固醇的水平較低。 動物(老鼠)實驗也發現,吃β-胡蘿蔔素可降低血液中的膽固醇水平,血管中的斑塊(plaque)也較少。 分析人類的基因發現,人類的β-胡蘿蔔素加氧酶1基因變異型中,其中的rs6564851等位基因為在啟動子(promoter)區域發生變異,可以是G或是T。其他研究團隊的研究發現,這個等位基因的序列為T的人,轉換β-胡蘿蔔素為維生素A的效率較高。研究團隊認為,這個變異讓BCO1的轉錄活性變高,造成基因表現量較高。 大約50%的人其BCO1在啟動子的位置序列為T。所以若你的BCO1在啟動子位置的序列為T,你多吃胡蘿蔔(當然也不要吃太多啦)應該是會有降膽固醇的作用。 參考文獻: Felix Zhou, Xiaoyun Wu, Ivan Pinos, Benjamin M. Abraham, Tessa J. Barrett, Johannes von Lintig, Edward A. Fisher, Jaume Amengual. β-Carotene conversion to vitamin A delays atherosclerosis progression by decreasing hepatic lipid secretion in mice. Journal of Lipid Research, 2020; 61 (11): 1491 DOI: 10.1194/jlr.RA120001066 Jaume Amengual, Johana Coronel, Courtney Marques, Celia Aradillas-García, Juan Manuel Vargas Morales, Flavia C D Andrade, John W Erdman,

捕蠅草如何將機械刺激轉為動作電位的關鍵:鉀離子通道KDM1

  捕蠅草。圖片來源:維基百科。 大家對捕蠅草( Dionaea 屬)應該都不陌生。捕蠅草的捕蟲葉在昆蟲接觸到的時候,會在一秒之內閉合,將昆蟲牢牢地「鉗」在裡面;然後捕蟲葉就會分泌消化酵素,將昆蟲給消化掉。 過去的研究發現,捕蠅草的兩片捕蟲葉,每片各有3根感覺毛。這3根感覺毛需要在30秒內被碰觸兩次,才會啟動它的捕蟲葉來關閉。 今年(2020)的 研究 發現,當感覺毛被碰觸的時候,可以觀察到鈣離子的流動。但是驅動鈣離子流動的基因是什麼,還是不清楚。 最近德國的研究發現,驅動離子流動的基因,是一個稱為 KDM1 的鉀離子通道蛋白。 為了要找到它,研究團隊收集了大約一千根捕蠅草的感覺毛(也就是說,他們剪了大約166組捕蟲葉)來分析它的轉錄體(transcriptome),研究團隊發現了 KDM1 基因。這個基因的表現是專屬於感覺毛的。當研究團隊以銫(Cs + )離子來阻斷 KDM1 ,這時候捕蠅草就無法將機械刺激轉換為動作電位,捕蟲葉就無法關閉了。 也就是說,當感覺毛被碰觸的時候,位於感覺毛基部的細胞因為細胞膜被延展的刺激,造成KDM1離子通道打開;接著鉀離子便流入細胞質。但是過去的研究發現是鈣離子的流動...所以究竟這鉀離子通道的開啟與過去觀察到的鈣離子流動之間有什麼關連呢?這就需要後續更多的研究去解開謎題了。 參考文獻: Anda L. Iosip, Jennifer Böhm, Sönke Scherzer, Khaled A. S. Al-Rasheid, Ingo Dreyer, Jörg Schultz, Dirk Becker, Ines Kreuzer, Rainer Hedrich. The Venus flytrap trigger hair–specific potassium channel KDM1 can reestablish the K gradient required for hapto-electric signaling. PLOS Biology, 2020; 18 (12): e3000964 DOI: 10.1371/journal.pbio.3000964

在番茄中生產左多巴(L-DOPA)

  非當事番茄。圖片來源:維基百科。 從1967年開始,左多巴(L-DOPA)就成為治療巴金森氏症(Parkinson's disease)的標準治療藥。但是左多巴通常以化學合成,只有少數的植物--如刺毛黧豆( Mucuna pruriens )--含有大量的左多巴。雖然刺毛黧豆的種子含有10%的左多巴,但是這種植物的表面被覆著許多會導致奇癢的刺毛,植物本身又含有可以致幻的色胺(tryptamine)類化合物,所以也不是理想的天然左多巴供應來源(雖然坊間還是有在販賣「多巴黧豆」製劑)。 但是植物為何要合成左多巴呢?科學家認為是用來抑制其他植物的生長,也就是說,它是植物用來進行「相剋作用」(allelopathy)的一種化合物。不過,不管植物合成它的原因是什麼,英國的研究團隊發現甜菜也會合成左多巴,只是因為左多巴是甜菜合成甜菜素(betalains)的中間產物,所以量不多。 研究團隊將甜菜中負責合成左多巴的兩個酵素基因: BvCYP76AD1 與 BvCYP76AD6 給找到了。其中 BvCYP76AD1 除了會把酪胺酸(tyrosine)給轉成左多巴,還會進一步把左多巴再轉化為環多巴;但 BvCYP76AD6 就只會把酪胺酸轉變為左多巴。於是研究團隊決定要把 BvCYP76AD6 轉入番茄。 被轉入 BvCYP76AD6 的番茄不但左多巴合成增加,整體胺基酸的含量也上升;檸檬酸循環與醣解作用的中間產物量也增加了。另外,酚醛類化合物與含氮化合物這兩類的次級代謝物含量卻減少了。研究團隊發現,如果把 MYB12 這個代謝調節基因也同時轉入番茄,左多巴的產量還可以再增加。 為什麼要製造可以生產左多巴的番茄呢?這是因為番茄是很常見的水果。在台灣大家可能對番茄沒那麼多印象,但在歐美,在院子裡種番茄是很受歡迎的活動。雖然這是基改番茄,但番茄可以在溫室或簡單的網室中培植,不必擔心花粉污染野生番茄的問題。 有意思的是,這些基改番茄不只是生產更多的左多巴,它們的果實保存期限也變長,對灰黴病菌( Botrytis cinerea )抵抗力也上升了。 這種基改番茄未來如果可以上市,對巴金森氏症的病人來說,是否就意味著可以藉由多吃番茄來服藥呢?當然,如果不喜歡番茄就沒辦法了。 參考文獻: Dario Breitel, Paul Brett, Saleh Alseekh, Alisda

吲哚-3-丁酸(IBA)的運輸與植物的趨地性有關

  吲哚-3-丁酸(IBA)。圖片來源: 維基百科 。 吲哚-3-丁酸(IBA,indole-3-butyric acid)是植物的生長素(auxin)之一,由IBA也可以再合成IAA(indole-3-acetic acid,吲哚乙酸)。IBA是白色到淡黃色的結晶,在許多「開根粉」裡面都有它。 最近日本的研究團隊發現了一個硝酸根運輸蛋白,稱為NPF7.3。在酵母菌中表現NPF7.3發現,IBA可經由它被運入細胞。缺少NPF7.3的植物,根部出現趨地性(gravitropism)的問題,且細胞內IBA的濃度下降,對生長素的反應也變小。有趣的是,加入IBA並不能逆轉這些現象,但可藉著加入IAA補救回來。 研究團隊發現,NPF7.3表現在周皮(周鞘,pericycle,是位於根部內皮細胞內層的一圈薄壁細胞)與主根的根尖(包括根冠)等區域。植物在這些區域會將IBA轉變為IAA。 總而言之,在周皮與根尖的部位,IBA能否被正確的運輸,對根的趨地性能不能表現很重要;而這個正確的運輸,需要NPF7.3。 參考文獻: PNAS December 8, 2020 117 (49) 31500-31509;  https://doi.org/10.1073/pnas.2013305117

發現離層酸(Abscisic acid)的新反應機制

離層酸(Abscisic acid)圖片來源: 維基百科 。   離層酸(或稱為脫落酸,abscisic acid,ABA)是植物的賀爾蒙, 也是動物的賀爾蒙 。在植物中,離層酸與抗壓力有關,在植物缺水時不僅會分泌離層酸、它的合成也會加速,造成氣孔(stomata)的關閉。另外離層酸也會抑制種子萌發、延遲開花等等。 最近賓州大學的研究發現了離層酸作用於植物的新機制。這個研究可以回溯到十年前,當時研究團隊在酵母菌中發現了一個稱為 DXO1 的基因。 當時研究團隊並不知道這個基因的功能。當他們找到缺少 DXO1 的突變植物( dxo1 突變株),發現這突變株生長遲滯、葉片淺綠,且有生殖方面的問題。但是那時候並不清楚到底是怎麼回事,所以雖然是個有趣的植物,卻不知道該怎麼著手研究。 直到前幾年,在動物的研究上發現,有些信息RNA(mRNA,messenger RNA)的頭端(5' end)被加上了NAD + 的蓋子,而動物的DXO1蛋白可以辨認這個蓋子並將其移除。移除NAD + 蓋子後,信息RNA會被分解為不穩定的小RNA而後被完全分解。 於是研究團隊決定要重新來看看植物的 DXO1 是怎麼一回事。結果研究團隊發現,植物的 DXO1 也有類似的功能!而缺少 DXO1 的突變株體內累積了很多小RNA。 研究團隊將帶有NAD + 蓋子的信息RNA分離出來後發現,這些信息RNA多半都與壓力反應有關。於是研究團隊決定要去看看,到底 DXO1 與壓力賀爾蒙離層酸是否有關連。 圖片來源: Developmental Cell 結果發現,缺少 DXO1 的突變株對離層酸沒有反應(上圖下排)。這顯示了, DXO1 與離層酸的作用有關。研究團隊認為,離層酸可以保護這些信息RNA,使它們不會被DXO1蛋白辨認進而分解,於是這些基因就會被表現出來,接著就出現了離層酸的反應(下圖)。 圖片來源: Developmental Cell 植物賀爾蒙的信息傳導很有趣,很多都是「解除抑制」而不是「活化」。在離層酸的作用機制上,又是一個「解除抑制」的類型,真的很妙。 參考文獻: Xiang Yu, Matthew R. Willmann, Lee E. Vandivier, Sophie Trefely, Marianne C. Kramer, Jeffrey Shapiro, Rong Guo,

相鄰植物的根會競爭還是合作?

  圖片來源:維基百科 兩株相鄰生長的植物會競爭光線,這個現象稱為「陰影遮蔽」(shade avoidance),造成被遮住的植物的莖葉都長得細細長長,直到脫出另一株植物的勢力範圍。這是在肉眼可見的地上部位,但位於地下的根是否也會互相競爭呢? 最近的研究發現,植物在遇到相鄰的植物的根時,也會產生反應。為了要瞭解到底相鄰植物的根之間的關係是競爭還是合作,普林斯頓大學的研究團隊以辣椒為模式植物,將辣椒以兩株一盆的方式種在盆中,與一株一盆的植物進行比較,看看究竟是競爭或是合作? 研究團隊使用電腦先模擬了一下這兩種模式。在合作型中,相鄰的植物的根會互相區隔,也就是說,比起單獨一棵植物,兩株相鄰的植物會產生較少的根;而在競爭型中,相鄰的植物雖然在面對鄰居的一側會產生比較少的根,但另一側會產生更多的根,使得在競爭型的模式中,兩株相鄰的植物會比單一株產生更多的根。 研究團隊觀察後發現,即使種得很近,造成兩株植物之間出現了互相競爭的狀態時,這兩株植物還是會減少水平拓展的程度,以避免接觸到彼此;這使得兩株一盆的植物所產生的根的總量,與地上部位的量校正後,並沒有比單獨一株植物長出更多的根。也就是說,兩株相鄰的植物,雖然地上部位會競爭光線,但地下部位卻採取了互相禮讓的合作策略。 植物大約投資三分之一的養分在根的生長發育上,瞭解這「看不到的三分之一」究竟發生了什麼事,雖然不容易,但卻是必要的。 參考文獻: Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro Aguilar, Fernando Valladares, Stephen W. Pacala. The exploitative segregation of plant roots. Science, 2020; 370 (6521): 1197 DOI: 10.1126/science.aba9877

光合作用(photosynthesis)效率影響植物落葉時程

  秋天的落葉森林。圖片來源: 維基百科 。 秋天時走進一片落葉森林是一件很詩意的事情。但近年來全球暖化以造成落葉樹較100年前提早二週萌芽,而在秋天時延後落葉。 雖然觀察的結果似乎是這樣,但最近瑞士的研究團隊整理了過去六十年對六種落葉樹的觀察記錄卻發現並不是這樣。他們發現,除了過去認為的溫度與日照長度對葉片衰老(leaf senescence)有影響,光合作用的效率也很重要--或者說,植物在一個生長季中要花多久才能存到足夠的碳讓它們可以過冬,會影響到秋季葉片衰老發生的時間點。 為了證實他們的觀察,研究團隊除了耙梳過去六十年的觀察記錄,還在生長箱與戶外環境用樹苗做實驗。結果發現:光合作用效率每上升10%,樹木就會提早八天落葉。 雖然他們也發現大氣的二氧化碳濃度、夏季均溫、光線及降雨也對秋天落葉的時間點有影響,但這個影響是間接的。另外暖秋對落葉的時間也有延遲的效果。 過去認為全球暖化會造成樹木提早萌芽並延遲落葉,這對地球的碳循環會造成重大的影響;但這篇研究發現,雖然樹木會提早萌芽,但因為落葉時間也跟著提早了,所以生長季節並不會拉長那麼多。 參考文獻: Zani D, Crowther TW, Mo L, Renner S, Zohner CM. Increased growing-​season productivity drives earlier autumn leaf senescence in temperate trees. Science, 2020 DOI: 10.1116/science.abd8911