老葉的植物王國

  稻麥蚜（ Rhopalosiphum padi ）。圖片來源： 維基百科 。 蚜蟲（aphids）是植物常見的害蟲之一，牠會把口器刺入植物的韌皮部（篩管，phloem）吸取汁液。因為韌皮部是植物運送養分的組織，所以蚜蟲會造成植物養分流失；另外，蚜蟲還常常成為病毒或細菌的媒介，造成植物感染。 因為蚜蟲在吸取植物的汁液時會從尾部分泌蜜液，所以許多螞蟻也跟蚜蟲建立了共生關係；因此蚜蟲又有一個綽號叫做「螞蟻的乳牛」。 由於蚜蟲廣泛分布於許多植物（包括農作物），有許多蚜蟲也對農藥產生抗性，因此，蚜蟲的防治也是相當傷腦筋的一個問題。 哥本哈根大學的研究團隊，想到利用昆蟲的病菌來防治蚜蟲。有些昆蟲的病原菌可以跟植物共存，形成類似內生菌（endophyte）的關係。研究團隊選了三種昆蟲的致病菌：羅伯茨綠僵菌（ Metarhizium robertsii ）、棕色綠僵菌（ Metarhizium brunneum ）與巴氏蠶白僵菌 ( Beauveria bassiana ) ，把它們接種在麵包小麥與菜豆的種子上，然後等植物長大後，看看稻麥蚜（ Rhopalosiphum padi ）與甜菜蚜（ Aphis fabae ）在這些植物上的繁衍狀況。 結果被棕色綠僵菌感染的植物，蚜蟲反而變多了（！），但是被羅伯茨綠僵菌與巴氏蠶白僵菌感染的植物，蚜蟲的數目變少。分析這些植物的次級代謝物（secondary metablites）發現，次級代謝物的含量與蚜蟲量成反比，但與菌落形成的數目無關。也就是說，可能是這些菌感染植物後，造成植物合成某些次級代謝物，而這些次級代謝物協助植物抵抗蚜蟲。 參考文獻： Shumaila Rasool, Nanna H. Vidkjær, Kourosh Hooshmand, Birgit Jensen, Inge S. Fomsgaard, Nicolai V. Meyling. Seed inoculations with entomopathogenic fungi affect aphid populations coinciding with modulation of plant secondary metabolite profiles across plant families. New Phytologist, 2020; 229 (3):

  棉鈴蟲的幼蟲。圖片來源： 維基百科 棉鈴蟲（ Helicoverpa zea ）是夜蛾科的生物，其幼蟲時期可在多種植物上攝食，是農作物的主要害蟲之一。 最近的研究發現，棉鈴蟲在啃咬植物的時候，其唾液中含有抑制植物防禦機制的葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）。 一般植物被啃咬時會啟動防禦機制，包括釋放出具有揮發性的化合物來吸引天敵、啟動茉莉酸途徑等。但研究團隊發現，棉鈴蟲唾液中的葡萄糖氧化酶可使番茄的氣孔在五分鐘內關閉，並可持續48小時！這就阻礙了揮發性化合物的釋出。 更可怕的是，這個葡萄糖氧化酶還會抑制植物本身合成如（Z）-3-己烯醇（(Z)‐3‐hexenol）、（Z）-茉莉酮（(Z)‐jasmone）與（Z）-3-己烯基乙酸酯（(Z)‐3‐hexenyl acetate）等重要防禦信號。 這也就難怪棉鈴蟲令人聞之色變了。查了一下資料，台灣好像沒有太多關於棉鈴蟲防治的資料，倒是大陸有很多。 參考文獻： Po‐An Lin et. al., 2021.  Silencing the alarm: an insect salivary enzyme closes plant stomata and inhibits volatile release . New Phytologist.

  住在大豆根瘤裡的緩生根瘤菌。圖片來源： 維基百科 豆科植物與根瘤菌所形成的共生作用，是非常奇妙的關係。在土壤缺氮的時候，植物會分泌類黃酮素（flavonoids）吸引根瘤菌，接著根瘤菌分泌結瘤因子（Nod factors）使植物的根毛捲曲、細胞膜凹陷。然後根毛形成感染絲（infection thread），讓根瘤菌往皮層的根瘤生長點生長。在這中間，植物要抑制自己的防禦系統，好讓根瘤菌可以成功地感染植物並在植物細胞內安家落戶。根瘤菌除了會分泌結瘤因子，還會分泌一些由多醣、脂多醣類的化合物，這些化合物對感染可能有抑制也可能有促進的效果。如中華根瘤菌屬（ Sinorhizobium ）的NGR234會分泌NopL來抑制光葉百脈根與菜豆的MAPK防禦機制，就是一個很好的例子。  最近發現中華根瘤菌屬的 Sinorhizobium fredii 分泌的NopP對根瘤形成也有影響，但有些是促進，有些卻是抑制。為了瞭解這個機制，研究團隊以全基因組關連研究（GWAS），在大豆中找到一個基因，命名為 GmNNL1 （ Nodule Number Locus 1 ）。 GmNNL1 與緩生根瘤菌USDA110（ Bradrhizobium USDA110）的NopP有直接的互動，而這個互動造成根瘤形成的抑制。有些大豆的 GmNNL1 被插入了一個179鹼基對的轉位子，造成該基因失去功能，如此一來緩生根瘤菌就可以在大豆的根部形成根瘤了。 參考文獻： Zhang, B., Wang, M., Sun, Y. et al. Glycine max NNL1 restricts symbiotic compatibility with widely distributed bradyrhizobia via root hair infection. Nat. Plants 7, 73–86 (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-020-00832-7

  貓薄荷。圖片來源： 維基百科 養過貓的人都知道許多貓愛貓薄荷（ Nepeta cataria ）。貓遇到貓薄荷，會出現像吸毒者遇到毒品一樣的反應。不過，還是有三分之一的貓對貓薄荷是沒有反應的。對貓薄荷有無反應與遺傳有關，所以如果你的貓對貓薄荷沒反應，也不要太訝異。除了貓薄荷，還有三種植物可以讓貓產生類似的反應：它們是木天蓼（ Actinidia polygama ）、纈草（ Valeriana officinalis ）與新疆忍冬（ Lonicera tatarica ）。可能是它們所含的化合物不大相同，據說對貓薄荷沒有反應的貓，遇到其他這三種植物還是有可能會有反應。 日本的研究團隊想瞭解為何貓如此酷愛貓薄荷，以及這些植物裡的「吸貓」化合物到底是什麼呢？於是他們從貓薄荷與木天蓼中萃取出化合物，結果他們從木天蓼中找到了荊芥內醇（nepetalactol），與過去在貓薄荷中找到的荊芥內酯（nepetalactone）結構很類似，都屬於環烯醚萜（Iridoid）類化合物，為一種單萜（monoterpene）。 荊芥內醇。圖片來源： 維基百科 接著，他們把含有荊芥內醇的紙袋與泡過生理食鹽水的紙袋拿給家貓聞。大部分的家貓都只對含有荊芥內醇的紙袋產生興趣，至於泡過生理食鹽水的紙袋則無貓聞問。把這些紙袋拿給大貓們（動物園裡的一隻豹，兩隻山貓和兩隻美洲虎），大貓們也只對含有荊芥內醇的紙袋感興趣。 研究團隊也測量了貓們在聞過荊芥內醇後五分鐘的腦內啡量，發現在聞過荊芥內醇後五分鐘，β-內啡肽（beta-endorphin）的量顯著上升，但是對貓薄荷沒有反應的貓，其β-內啡肽並未上升。這解釋了為何對貓薄荷有反應的貓，為何一遇到貓薄荷就如此的難以自拔。 知道了貓遇到貓薄荷的反應真的類似我們吸毒或吃巧克力所引起的反應，研究團隊想知道為何貓會愛貓薄荷呢？但是這個問題沒辦法拿去問貓（畢竟我們都不懂貓語），而研究團隊中有人曾聽過貓薄荷可以驅蚊，所以他們決定作個實驗：將擦過荊芥內酯的鎮靜狀態的貓頭部暴露在蚊子箱中，與沒有擦過荊芥內酯的貓做比較。結果發現擦過荊芥內酯的貓只有一半的蚊子停在這些貓頭上。 因此，研究團隊認為，或許貓們一開始擦貓薄荷是不小心的，但後來便發展出了其他的效應。但貓咪是否會為了驅蚊而有意識地去擦貓薄荷？筆者知道人是會為了驅蚊在身上塗上某些植物的汁液，但貓會不會這麼做，這就不知道

  圖片來源：維基百科 現代農業使用大型機具（耕耘機、播種機等）雖然可幫農夫省很多力氣，但這些大型機具本身的重量會把土壤給壓實。壓實的土壤（soil compaction）讓植物的根部難以穿過，當植物的根無法深入土壤，植物便無法吸收更多的水分與養分。不只是這樣，土壤壓實時還會壓縮土壤中的小孔，讓土壤的含（氧）氣量減少，使得根部呼吸困難。但是要有效率的耕種，免不了會使用大型機具。要怎麼解決這個問題呢？ （網友補充）傳統的方法，會用機械鑽頭、高壓水柱、或類似的各種方式，在適合的地方鑽洞，鑽出來的洞會填入木炭或者腐熟的有機質、或者泥碳，總之比較蓬鬆的材料。另外，在農耕季之間種植白蘿蔔，也可以改善土壤壓實的問題。 但是，能不能讓植物自己去克服土壤壓實的問題呢？ 結合了英國與中國的國際研究團隊發現，讓植物的根覆蓋一層不透氣的矽脂，會引發乙烯反應；而讓植物生長在壓實的土壤（1.6g/cm）中，植物產生的反應與正常的土壤（1.1g/cm）相比，也很類似於乙烯反應：根延長的速度變慢，但是變粗了。 如果根遇到壓實的土壤時的反應是因為啟動了乙烯訊息傳導，那麼關掉乙烯路徑，是否能讓根可以穿透壓實的土壤呢？研究團隊找了兩個乙烯訊息傳導的突變株，測試它們是否可以穿透壓實的土壤。結果發現，這兩個突變株果然可以穿透壓實的土壤！而且不論是稻米或是阿拉伯芥的突變株，在壓實的土壤中的生物質量都比野生種要高。 所以，植物的根部可能是透過感應土壤中氣體的多寡來啟動乙烯訊息傳導，從而影響到根部的生長反應。壓實的土壤可以讓農作物的產量降低到原來的一半，而隨著農業機械的反覆使用，土壤壓實的問題會變得愈來愈不可忽視。或許未來在栽種作物後可考慮使用乙烯拮抗劑，讓農作物的根可以更快地穿透土壤。 參考文獻： Plant roots sense soil compaction through restricted ethylene diffusion BY BIPIN K. PANDEY, GUOQIANG HUANG, RAHUL BHOSALE, SJON HARTMAN, CRAIG J. STURROCK, LOTTIE JOSE, OLIVIER C. MARTIN, MICHAL KARADY, LAURENTIUS A. C. J. VOESENEK, KARIN LJUNG, JONATHAN P. LY

  圖片來源：維基百科 許多人一早就要先喝咖啡。他們說，咖啡可以開啟一天，讓他們保持清醒。筆者也是其中之一。有一陣子因為有胃食道逆流的問題，曾有人建議我，如果喝咖啡的目的是為了保持清醒，何不試試看服用咖啡因錠？反正也只是要咖啡因而已嘛！ 那時我拒絕了，總覺得沒有喝到咖啡、沒有聞到咖啡的味道，好像一天就少了什麼。最近的研究發現，咖啡的香味的確可以讓我們產生反應，至少可以消除緊張。 研究團隊以「看牙醫」這件事情做為壓力的來源。相信很多人同意，看牙醫時很少不感到緊張的，那吱吱作響的鑽子伴隨著酸麻的感覺，加上還要張開嘴巴沒辦法為自己辯白的無助感，很少人會覺得看牙醫是種愉快的經驗。 研究團隊找了71個19-65歲的成人做實驗。這些人有些很瘦，有些很胖。以「改良的牙科焦慮量表」（modified dental anxiety scale）測量，沒有人有牙醫恐懼症，但有四個人有牙醫焦慮。其中大約有一半的人每週至少會喝一次咖啡，有些人喜歡咖啡的香味，有些人不喜歡。 研究團隊測量了他們的唾液澱粉酶（Salivary α-amylase）與皮質素（cortisol）分泌，也測量了他們的脈搏與血壓。 結果發現，病人的唾液澱粉酶分泌在看牙齒後上升，但可聞到咖啡香味的實驗組其唾液澱粉酶分泌反而下降，皮質素的分泌也呈現相同的趨勢。控制組的脈搏在看牙前與看牙後並未變化太多，但咖啡組的脈搏在看牙後反而變慢；控制組的血壓與咖啡組的血壓在看牙前與看牙後並沒有顯著的變化。 總的說來，研究團隊發現咖啡的香味可以消除看牙時的緊張；而且這個效果，對不喜歡咖啡味道的人也不影響。或許牙醫診所可以考慮裝台咖啡機，或是買有咖啡香味的香氛包放在診所裡，應該會有些幫助？ 參考文獻： Pachimsawat, P., Tangprasert, K. & Jantaratnotai, N. The calming effect of roasted coffee aroma in patients undergoing dental procedures. Sci Rep 11, 1384 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-020-80910-0

  煙草天蛾的幼蟲。圖片來源： 維基百科 。 不同的植物會合成不一樣的次級代謝物（secondary metabolite），而這些次級代謝物大部分的功能都是為了抵禦外敵。但是植物在合成它們以後，怎麼防止這些有毒物質反過來毒殺自己呢？ 過去的研究發現，有些植物會先合成不含毒性的前驅物。這些前驅物在遇到特定的酵素時，會被分解並成為有毒的產物。而植物便將前驅物與酵素分別儲存在細胞內不同的位置裡。當細胞因為被啃咬而被弄破時，前驅物與酵素便會相遇，產生有毒的化合物。 最近的研究發現，有些植物會合成對自己無毒，但對掠食者有毒的化合物。在一種野生煙草（ Nicotiana attenuata ）中，含有大量的17-羥基香葉甘油二萜糖苷（17-HGL-DTG，17-hydroxygeranyllinalool diterpene glycosides）。這個化合物可以抑制煙草天蛾（ Manduca sexta ）幼蟲的生長。 17-HGL-DTG的合成包括了許多酵素。其中有兩個細胞色素P450牽涉到將香葉甘油（geranyllinalool）羥基化（hydroxylation）為17-HGL。研究團隊將這兩個細胞色素P450給沉默掉以後發現，幾乎不表現這兩個酵素的煙草出現自體毒性的病徵，甚至無法產生種子。深入研究發現，這些煙草的鞘脂（sphingolipid）受到攻擊。 這是否也意味著17-HGL-DTG也是攻擊煙草天蛾幼蟲的鞘脂呢？分析發現的確是這樣的。而用幾乎不表現這兩個酵素的煙草來飼養煙草天蛾幼蟲，發現這些幼蟲長得比用野生種煙草的要好。 所以，植物在合成這些次級代謝物的過程中，也是要很小心的控制哪裡要怎樣修飾。若一不小心合成了對自己有毒的代謝物，反過來毒殺自己，就得不償失了。 參考文獻： Jiancai Li, Rayko Halitschke, Dapeng Li, Christian Paetz, Haichao Su, Sven Heiling, Shuqing Xu, Ian T. Baldwin. Controlled hydroxylations of diterpenoids allow for plant chemical defense without autotoxicity. Science, 2021; 371 (6526): 255 DOI: 10

  圖片來源： 維基百科 原生於地中海的多年生植物土木香（ Inula viscosa ）其葉片會分泌黏稠的樹脂，過去似乎比較常用於芳香療法。最近的研究發現，從土木香中分離出來的化合物inuloxin A可以破壞細胞膜並引起粒線體變化、染色質凝結和氧化損傷，最終迫使這些寄生蟲進行細胞凋亡來殺死食腦變形蟲（ Naegleria fowleri ，福氏內格里蟲）。 福氏內格里蟲生活在淡水中，若人在水中游泳不小心由鼻腔吸入，則福氏內格里蟲在找不到食物的狀況下，便會沿著嗅覺神經進入腦部，進而引發「福氏內格里阿米巴腦膜腦炎」（Primary Amoebic Meningoencephalitis，簡稱PAM），其死亡率可達95%以上。不過，喝下遭病原體污染的水卻不會被感染。根據 資料 ，首例PAM於1965年出現在澳洲，後來在美國、紐西蘭、巴基斯坦、中國大陸都有出現，也曾於2011年出現在台灣。 研究團隊先將土木香的乙醇萃取物拿來做試驗，發現它可以殺死福氏內格里蟲；接著再將乙醇萃取物進行進一步的純化，找到inuloxin A。過去治療PAM都是使用抗真菌藥兩性黴素B（amphotericin B），雖然inuloxin A的效果並不比兩性黴素B好，但inuloxin A通過血腦障壁的能力比兩性黴素B好，可望成為未來治療PAM的新選擇。 參考文獻： Ikrame Zeouk, Ines Sifaoui, Aitor Rizo-Liendo, Iñigo Arberas-Jiménez, María Reyes-Batlle, Isabel L. Bazzocchi, Khadija Bekhti, José E. Piñero, Ignacio A. Jiménez, Jacob Lorenzo-Morales. Exploring the Anti-Infective Value of Inuloxin A Isolated from Inula viscosa against the Brain-Eating Amoeba (Naegleria fowleri) by Activation of Programmed Cell Death. ACS Chemical Neuroscience, 2020; 12 (1): 195 DOI: 10.1021/acschemne

  圖片來源： 維基百科 有些植物，如山字草屬（ Clarkia ），它們的花朵有兩種雄蕊。這個現象讓許多科學家疑惑，也曾讓達爾文深深著迷，以致於花了許多時間去研究它。到底是為什麼呢？ 過去認為，具有兩種雄蕊的植物是進行「分工」。因為蜜蜂採花粉主要是為了取食，所以植物演化出了兩種雄蕊，其中一種就是給蜜蜂取食的，另一種則是在蜜蜂取食的時候，將花粉散佈在蜜蜂的身上。 但是最近美國的研究團隊以山字草屬的植物為模式進行研究發現，這兩種雄蕊並不在同一時間成熟。因此他們認為，有兩種雄蕊的目的不是分工，而是不讓蜜蜂在短時間內取得大量的花粉。 當蜜蜂在短時間內取得大量的花粉時，牠們便會趕緊回巢；如此一來就不會幫植物傳粉了。所以植物讓雄蕊不在同一時間內成熟，這樣蜜蜂就會多造訪幾朵花，達成為植物傳粉的目的。 這些山字草屬的植物的雄蕊分為兩圈，內圈先成熟，接著才是外圈。如果以前的「分工」學說是正確的，這兩圈雄蕊應該要同時成熟；但觀察的結果並非如此。 其中有一種山字草屬的植物，甚至會產生兩種不同顏色的花粉。這讓研究團隊們方便許多：他們觀察到兩種花粉都被帶回去做食物，意識到所謂的「分工」假說並不成立。 研究團隊說：解開達爾文未能解開的謎題很有趣，不過根據達爾文的書信可以發現，他可能也快要找到答案了，因為他在死前不久才寫信跟人索取山字草屬植物的種子。 參考文獻： Kathleen M. Kay, Tania Jogesh, Diana Tataru, Sami Akiba. Darwin's vexing contrivance: a new hypothesis for why some flowers have two kinds of anther. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2020; 287 (1941): 20202593 DOI: 10.1098/rspb.2020.2593

  圖片來源： 維基百科 全球暖化對糧食安全的威脅之一就是：溫帶農作物如小麥，將來可以種植的區域會縮小。但是小麥是重要的穀物，世界上許多人生活都少不了它。很難想像有一天麵包、麵條、義大利麵會成為奢侈品吧？所以一定要想辦法讓小麥變得耐熱。 要如何讓小麥變得耐熱呢？有些科學家嘗試著以傳統育種或以基因轉殖（基改）方式導入耐熱基因，希望可以得到耐熱品系的小麥。但是不論是哪種方法都相當耗時費事，更不用提基改作物目前還不被許多國家許可。如2004年孟山都公司研發出基改小麥後，加拿大立刻率先表示他們不會進口美國的基改小麥就是一個很好的例子。 如果要更快找到提升作物耐熱性，有沒有其他的方法呢？有一個研究團隊想到，找植物的內生菌（endophyte）。他們最近發現，腸桿菌 Enterobacter sp. SA187可以提升小麥的耐熱性。在這隻菌的存在下，小麥可以忍受攝氏44度的溫度兩小時，依然持續成長茁壯。 但是，到底這隻菌是怎麼提升小麥的耐熱性呢？研究團隊以阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）為模式進行實驗，發現這隻菌會透過 HSFA2 來提升H3K4me3的量，接著引發熱反應記憶的基因（heat-responsive memory genes）的表現。進一步的分析發現， HSFA2 的作用需要透過乙烯訊息傳導路徑。 瞭解了腸桿菌SA187如何提升小麥的耐熱性是好事，但這隻菌是否真的實用呢？研究團隊發現，不論是在實驗室或田間試驗，腸桿菌SA187都可以提升小麥的耐熱性；另外研究團隊還發現，腸桿菌SA187並不會改變小麥根菌群的組成。希望這隻菌未來可以上市，好協助農民在未來的環境中，依舊能夠容易地栽種小麥。 參考文獻： EMBO Rep (2021)e51049 https://doi.org/10.15252/embr.202051049

  嫁接。圖片來源： 維基百科 植物與動物有非常多的不同之處。其中之一是，植物很容易形成所謂的「異源多倍體」（allopolyploid）：不同種的植物基因混在一起，產生新的植物。最有名的例子大約就是麵包小麥（bread wheat， Triticum aestivum ），為三種不同植物所形成的異源六倍體（allohexaploid）。我們只知道植物可以形成這樣的「混種」，但到底這些混種是怎麼形成的，到現在還是一個謎。 最近德國的普朗克研究所以煙草進行嫁接做為實驗系統，用螢光標記葉綠體，來觀察不同種植物之間的基因交換。結果發現在嫁接部位的癒傷組織（callus）中的葉綠體（chloroplast），會先進行去分化（dedifferentiation）後形成類似阿米巴一樣的小胞器。 在同一時間，相鄰的細胞壁會分解，形成連接孔；這時候葉綠體去分化後產生的阿米巴就可以從連接孔「爬」過去另一顆細胞，完成交換。到了新細胞的阿米巴，會再度進行分化，形成葉綠體。 雖然目前只觀察到葉綠體的交換，但不排除粒線體--甚至細胞核或許也經由這個機制、或者是其他的機制來進行基因交換。 參考文獻： Alexander P. Hertle, Benedikt Haberl, Ralph Bock. Horizontal genome transfer by cell-to-cell travel of whole organelles. Science Advances, 2021; 7 (1): eabd8215 DOI: 10.1126/sciadv.abd8215

  C4植物（玉米）的葉片橫切圖。圖片來源：維基百科 C3植物與C4植物有許多不同之處，其中一個就是C4植物具有髓鞘細胞（bundle sheath cell，上圖紫色）：一圈圍繞著維管束帶有許多葉綠體的細胞。過去的研究發現C4植物在葉肉細胞（上圖綠色）中將二氧化碳與磷酸烯醇丙酮酸（PEP，phosphoenolpyruvate）合成為草醯乙酸（OAA，oxaloacetate），再運送到髓鞘細胞中進行碳反應（Calvin cycle），將二氧化碳轉為三碳糖，再轉為葡萄糖或果糖等六碳糖。 最近的研究發現，葉片背面篩管的糖運輸蛋白（sugar transporter）在C3植物與C4植物之間有不同的作用。在C3植物如阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ），這些糖運輸蛋白會把糖從篩管直接運輸到旁邊的伴細胞（companion cell）；但是在玉米（ Zea mays ）中，這些糖運輸蛋白卻是將糖運輸到旁邊的髓鞘細胞中。比較這兩者，研究團隊發現玉米運輸糖的效率比阿拉伯芥好。 過去對於到底為什麼C4植物利用光能的效率比C3高，一直都不是非常瞭解。這個研究或許可以幫我們進一步地瞭解，為什麼C4植物利用光能的效率比C3更好。如果可以深入瞭解這個機制，或許可以進一步地去改善C3植物利用光能的效率。 參考文獻： Margaret Bezrutczyk, Nora R. Zöllner, Colin P. S. Kruse, Thomas Hartwig, Tobias Lautwein, Karl Köhrer, Wolf B. Frommer and Ji-Yun Kim. Evidence for phloem loading via the abaxial bundle sheath cells in maize leaves. The Plant Cell, 2021 DOI: 10.1093/plcell/koaa055

  圖片來源： 維基百科 可能是原產於熱帶、亞熱帶亞洲地區的薑（ Zingiber officinale ），在中國大陸與印度已有數千年的栽培歷史。過去的研究已知薑具有抗發炎與抗氧化的功效，在《本草綱目》裡，也提到薑有消腫、開胃、發汗、祛風、利濕等功效。熱呼呼的薑母鴨或麻油雞，更是冬日裡受歡迎的料理。 最近美國的研究團隊發現，薑的主要成分薑辣素（6-gingerol），可以對抗紅斑性狼瘡以及因它所引起的抗磷脂症候群（antiphospholipid syndrome，APS/APLS）。根據維基百科的資料，抗磷脂症候群是由於人體免疫系統對細胞膜成分磷脂發生異常的自體免疫反應，產生抗體所引起的症候群。主要症狀有動脈或者靜脈血管栓塞、血小板減少以及與懷孕相關的胎死腹中、早產和自發性流產等症狀。 研究團隊以小鼠為模型發現，薑辣素可以抑制中性球（neutrophil）的磷酸二酯酶（phosphodiesterase），使中性球活性降低，減少「中性球細胞外陷阱」（NET，neutrophil extracellular traps）的產生。 「中性球細胞外陷阱」是由於自體抗體與中性球表面的受體的相互作用，導致它們形成蛛網狀構造，接著便會導致血栓。 薑辣素除了可以抑制中性球產生 「中性球細胞外陷阱」，研究團隊還發現它能使小鼠體內的自體抗體減少。 雖然薑辣素未必能取代主流的用藥，但可做為輔助療法。不知道薑辣素對其他的自體免疫疾病是否也有類似的效果呢？ 參考文獻： Ramadan A. Ali, Alex A. Gandhi, Lipeng Dai, Julia K. Weiner, Shanea K. Estes, Srilakshmi Yalavarthi, Kelsey Gockman, Duxin Sun, Jason S. Knight. Anti-neutrophil properties of natural gingerols in models of lupus. JCI Insight, 2020; DOI: 10.1172/jci.insight.138385

 最近科學界解出了阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）的隱花色素2（cryptochrome 2，CRY2）的蛋白質結構。 隱花色素2與隱花色素1（CRY1）都是植物的藍光受器（photoreceptor），負責偵測藍光與長波UV（UVA）；其中隱花色素1對於胚軸的延長有顯著的抑制作用，而隱花色素2對植物的開花影響比較大。 光照後，細胞核內可以測到隱花色素2，且過去也有實驗證明光敏素A可以磷酸化隱花色素2。 隱花色素具有兩個色素分子，其中一個是黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD），另一個是蝶呤（pterin）。 來源： Communication Biology 研究團隊發現，隱花色素2在照光前為單體，照光後便形成四聚體（tetramer）。其他的光受器中都沒有這種情形，非常有意思。 參考文獻： Malathy Palayam, Jagadeesan Ganapathy, Angelica M. Guercio, Lior Tal, Samuel L. Deck, Nitzan Shabek. Structural insights into photoactivation of plant Cryptochrome-2. Communications Biology, 2021; 4 (1) DOI: 10.1038/s42003-020-01531-x

  鞘氨醇單胞菌屬。圖片來源： 維基百科 。 鞘氨醇單胞菌屬（ Sphingomonas ）是在1990年發現的格蘭氏陰性絕對需氧性細菌。其中的瓜類鞘氨醇單胞菌（ Sphingomonas melonis ）是從西班牙的瓜類作物（ Cucumis melo var. inodorus ）分離出來，會引起瓜果出現褐斑。 但是這個細菌在水稻中卻有完全不同的角色。最近的研究發現，有些水稻對植物伯克霍爾德菌（ Burkholderia plantarii ，會引起秧苗細菌性立枯病）有抗性，有些沒有，而這個抗性的來源竟然是來自於瓜類鞘氨醇單胞菌。 研究團隊發現，對秧苗細菌性立枯病有抗性的水稻，它們的種子內攜帶有瓜類鞘氨醇單胞菌；瓜類鞘氨醇單胞菌透過製造鄰氨基苯甲酸（anthranilic acid）來干擾植物伯克霍爾德菌的sigma factor RpoS，使細菌無法合成毒性分子，造成植物伯克霍爾德菌無法生長，也就不會產生病害了。 未來可以應用這株細菌來防止秧苗細菌性立枯病。想想，同樣的一株細菌，在瓜類是病菌，在水稻卻可以幫助它們抵禦病害，很神奇不是嗎？ 參考文獻： Matsumoto, H., Fan, X., Wang, Y. et al. Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice. Nat. Plants (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-020-00826-5

  圖片來源：維基百科 要增加稻米的產量，要不就是要讓每株稻米多結一些穀子，要不就是要讓每顆穀子大一點。當然，如果結出來的穀子雖然多，但是每粒穀子都小小的，這樣也沒什麼用；所以，如何讓穀子大一點就很重要。 為了要瞭解控制穀粒大小的機制，研究團隊拿「南京35號」品系的稻米、以鈷六十照射使其產生突變，再由突變株中找尋穀粒特別大或小的品系。 結果研究團隊找到了一株穀粒特別小的突變株。分析它的基因體發現，突變的位置發生在 LOC_Os03g49900 這個基因上，他們將這個基因命名為 DGS1 （ decrease grain size 1 ）。 DGS1 位於細胞膜上，具有七個跨膜結構域以及一個C 3 HC 4 類型的RING結構域。 雖然目前研究團隊還不很清楚究竟 DGS1 在植物內的功能，但與蕓苔素內酯（brassinosteroid）信息傳遞有關，也能正向調控穀粒大小的轉錄活化子（transcription activator） OsBZR1 會跟 DGS1 的啟動子結合，從而活化 DGS1 的表現，顯示了 DGS1 的調控可能受到蕓苔素內酯的影響。 參考文獻： Zhu, X., Zhang, S., Chen, Y. et al. Decreased grain size1, a C3HC4-type RING protein, influences grain size in rice (Oryza sativa L.). Plant Mol Biol (2021). https://doi.org/10.1007/s11103-020-01096-7

 上次寫過一篇關於「 抗除草劑的基改作物是如何抗除草劑的 」？的文章，最近被問了一個問題，就是 鼎鼎大名的除草劑「嘉磷塞」（年年春）是如何除草的 ？ 其實這個問題並不難查，就在 維基百科的「嘉磷塞」（glyphosate）的英文條目 中，就有答案；不過為了慎重起見，我又去查了書本，書本上的答案也一樣，只是書本上反而沒有維基百科那麼容易查到參考文獻。 在維基的英文條目中的參考文獻是2001年2月的《美國國家科學院院刊》（PNAS，Proceedings of National Academy of Science）： Interaction of the herbicide glyphosate with its target enzyme 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase in atomic detail 。PNAS過期的全部都開放PDF下載，非常貼心，有興趣的朋友可以點上面的連結去抓PDF來慢慢看。 從這篇PNAS文章中，我借用了一個圖來簡單說明嘉磷塞是怎麼抑制EPSPS這個酵素的： 圖片來源： PNAS 上圖那一堆灰色的結構就是EPSPS。這個酵素在沒有遇到它的受質莽草酸-3-磷酸（shikimate 3-phosphate）時，是以「開放」（open）的構形存在（左邊a）；在遇到莽草酸-3-磷酸（綠色）後，會由「開放」的構形轉為「關閉」（closed）的構形（右邊b）。這時候另外一個受質磷酸烯醇丙酮酸（PEP，phosphoenolpyruvate）就可以進來，接著反應產生產物，5-烯醇丙酮莽草酸-3- 磷酸（EPSP，5- enol pyruvylshikimate-3-phosphate）。 而嘉磷塞（上圖b粉紫色結構）就是在莽草酸-3-磷酸與酵素結合後，就進來與這個複合物結合，使磷酸烯醇丙酮酸無法進入，於是接下來的反應就無法發生，當然也就不會有產物（EPSP）產生了。所以嘉磷塞在這裡的作用為一種「競爭型抑制劑」（competitive inhibitor）。 沒有了EPSP，就沒辦法合成芳香族胺基酸色胺酸（tryptophan）、苯丙胺酸（phenylalanine）與酪胺酸（tyrosine）；所以植物就死掉了。而抗除草劑的基因則是來自於一隻農桿菌（ Agrobacterium tumefacien

  根瘤。圖片來源：維基百科。 許多豆科植物都會與根瘤菌形成共生關係。當植物生活在缺氮的環境中，植物的根部便會分泌類黃酮素來吸引土壤中的根瘤菌前來掛單，於是變產生了根瘤（root nodule）。 令科學家好奇的是，蒺藜苜蓿這種植物雖然也會與草木樨中華根瘤菌（ Sinorhizobium meliloti ）形成共生關係，但不同的生態型之間常常會發生不相容現象，導致在某些生態型的蒺藜苜蓿中，雖然有根瘤形成，但卻無法固氮。這是怎麼一回事呢？ 研究團隊將兩種不同生態型的蒺藜苜蓿雜交，再將這些雜交種的蒺藜苜蓿分別讓草木樨中華根瘤菌感染，一步步找出究竟是哪個（些）基因與這個不相容現象有關；結果他們找到了一個基因： NFS2  （Nitrogen fixing specificity 2）。 NFS2 基因會產生一個67個胺基酸的多肽，前面的24個胺基酸是訊號序列（signal sequence）。它只在根瘤中表現。研究團隊發現，NFS2會促進分化後的根瘤菌裂解，使產生的根瘤成為沒有功能的根瘤。 研究團隊分析 NFS2 的序列，發現它是一個NCR多肽（nodule-specific cysteine-rich）；同時它的序列與真核生物的抗菌肽有相似之處。在實驗室測試時，研究團隊也發現從不相容生態型中分離出的NFS2可以抑制草木樨中華根瘤菌的生長，甚至令其死亡。不同生態型的蒺藜苜蓿的NFS2序列有三個胺基酸不同（扣除掉訊號序列），這三個胺基酸可能就是決定它們之所以對草木樨中華根瘤菌有抑制效果的部位。 參考文獻： Wang, Q., Yang, S., Liu, J., Terecskei, K., Ábrahám, E., Gombár, A., Domonkos, Á., Szűcs, A., Körmöczi, P., Wang, T., Fodor, L., Mao, L., Fei, Z., Kondorosi, É., Kaló, P., Kereszt, A., & Zhu, H. (2017). Host-secreted antimicrobial peptide enforces symbiotic selectivity in Medicago truncatula. Proceedings of the National Academy of Sc

  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 基因不表現，