老葉的植物王國

  圖片來源：維基百科 發源於安地斯山的馬鈴薯（ Solanum tuberosum L.）是重要的主食，全世界的產量，若扣掉給動物吃的部分，馬鈴薯的產量居第三。不管是烤馬鈴薯、馬鈴薯沙拉、薯餅、薯條，或甚至太白粉都少不了馬鈴薯，真的是非常重要的作物。 馬鈴薯含有豐富的澱粉。澱粉是alpha-D-葡萄糖（alpha-D-glucose）的1,4聚合物，依其構造可以簡單分為直鏈澱粉（amylose）與支鏈澱粉（amylopectin）兩種。支鏈澱粉故名思義就是有支鏈，支鏈處的葡萄糖與主鏈以1,6糖苷鍵相連結。支鏈使得個別澱粉顆粒含水量增加，讓澱粉變得比較容易溶於水。 個別品系的馬鈴薯也因為含有的直鏈澱粉與支鏈澱粉的比例不同而有不同應用。一般來說，含較多直鏈澱粉的馬鈴薯，很適合用來給人食用：因為澱粉分解得慢，所以生醣指數（GI，glycemic index）也低，較適合糖尿病人食用。相對的，含支鏈澱粉比例較高的馬鈴薯，很適合用來製造太白粉、黏膠以及加到冷凍食品中（因為高支鏈澱粉會使得馬鈴薯比較耐凍）。 雖然以傳統育種配合分子育種技術也可以加快培育新品系的速度，但馬鈴薯是多倍體，要培育新品系還是相當曠日廢時（約十到十五年）。最近德州農工大學的研究團隊開發了新技術，以基因編輯的方式來剔除負責產生直鏈澱粉的關鍵酵素（Granule-Bound Starch Synthase），如此一來就可以有高支鏈澱粉的馬鈴薯了。 研究團隊除了利用基因編輯技術，他們也使用農桿菌（ Agrobacterium tumefaciens ）將負責編輯基因的成員們送入馬鈴薯細胞中，如此一來就可以降低實驗成本。 研究團隊利用這個方法培育出了含有大量支鏈澱粉的馬鈴薯品系。這個品系的澱粉很適合製作黏膠，放在冷凍食品裡口感絕佳，在市場上應該可以受到廣泛的應用。 參考文獻： Stephany Toinga-Villafuerte, Maria Isabel Vales, Joseph M. Awika, Keerti S. Rathore. CRISPR/Cas9-Mediated Mutagenesis of the Granule-Bound Starch Synthase Gene in the Potato Variety Yukon Gold to Obtain Amylose-Free Star

  圖片來源：維基百科 知道全世界人口即將在2050年衝破一百億大關嗎？隨著人口持續的增長，要生產足夠的糧食也成為挑戰。但是氣候變遷所造成的海平面上升，卻讓許多國家失去了寶貴的耕地。 除了海平面上升，因為不當灌溉所造成的土壤鹽化，也讓許多國家的耕地不再適合使用。根據估計，全球每年有百分之八的耕地因為海平面上升與不當灌溉而鹽化，這些都影響到糧食生產：高鹽會造成農作物生產力降低或甚至無法生長。所以，找到耐鹽的作物品系是當務之急。 瑞典的歌德堡大學的研究團隊，從孟加拉選拔了耐鹽的小麥品系，再進一步進行突變，從2000個突變品系中選育出了既耐鹽又高產的新品系。 研究團隊所選育出的品系，其穀粒大小為原品系的三倍大，而發芽率比原品系高。從這些品系中，研究團隊也發現了耐鹽的基因。 未來，研究團隊將會深入研究這些耐鹽基因，以瞭解小麥的耐鹽機制。 參考文獻： Science Daily. Researchers have developed a potential super wheat for salty soils

  圖片來源：維基百科 英國國會將於本週三討論是否將允許基因編輯（gene editing）作物在英國種植與販售。 過去25年來，英國一直都遵守歐盟的規範，禁止基改（genetic modified）與基因編輯作物在境內種植與販售。要獲得核准，要通過一系列非常嚴格的檢測，需要的時間是五年起跳。 但是農民覺得，政府對基因編輯作物太過嚴苛。基改作物因為是以農桿菌（ Agrobacterium tumefaciens ）插入外來基因（可來自任何物種）的方式來改變植物的性狀，所以不放心是可以理解的；但是基因編輯只是把植物的基因改變序列，並沒有涉及到插入外來基因，不應該如此嚴格管制。 而這一切，隨著英國脫歐有了轉機。如果週三國會通過，那麼有個新品系的基因編輯番茄可望於英國種植與販售。 這個基因編輯的番茄，將番茄裡含有的前維生素D3（7-DHC）提高了。如此一來，人們就可以藉由吃番茄來補充維生素D。 原本番茄就能合成少量的維生素D3，它是番茄合成植物固醇與芸苔素內酯（brassinosteroid，一種植物固醇賀爾蒙）的中間產物。在番茄中有兩條合成的途徑，這使得科學家能以基因編輯的方法將其中一條路徑關掉，而不影響植物固醇與芸苔素內酯的合成，但又可以使得前維生素D3的合成量上升。 研究團隊將7-脫氫膽固醇還原酶（7-dehydrocholesterol reductase，Sl7-DR2）的合成給關閉。這個酵素負責將前維生素D3轉為膽固醇。關掉了它，前維生素D3就會累積。 當這些番茄受到UVB照射後，前維生素D3就會轉變為維生素D3；所以，我們可以藉著直接食用這些番茄來補充維生素D。 全世界有十億人口有維生素D不足的問題。維生素D不足不只會造成骨骼發育的問題，它也跟免疫功能息息相關。雖然每天曬半小時陽光就可以補充維生素D，但有時候就是沒時間，天氣不好的時候則別說半小時，連10分鐘也難。 參考文獻： BBC. Gene-edited tomatoes could soon be sold in England . Li, J., Scarano, A., Gonzalez, N.M. et al. Biofortified tomatoes provide a new route to vitamin D sufficiency. Nat. Plants (2022). https

  露兜樹（ Pandanus tectorius ）果實。圖片來源：維基百科 隨著全球暖化，許多地區原來種植的植物開始因為平均氣溫升高而不再適合生長，雖然可以往北種植，但空下來的耕地總不能閒置，要種什麼呢？ 大家有所不知的一個事實：全世界九成的卡路里來自十五種植物。如此嚴重依賴少數穀物，可預見未來有可能會爆發糧食危機；這使得許多科學家開始尋找其他的選擇。 什麼樣的選擇呢？如我們之前介紹過的 粗柄象腿蕉（ Ensete ventricosum ） 就是其中的一種。粗柄象腿蕉果實不可食用，但根富含澱粉。另外，耐鹽耐風又抗旱的露兜樹（ Pandanus tectorius ），其葉片是香料，果實可生食可熟食，也是很好的選擇。 豆類是另外一個可開發的資源。全世界有超過兩萬種豆類，但人類僅食用數十種。豆類含有高量的蛋白質、維生素B，且許多都有肥田作用。雖然不是每種豆類都可食，但還是非常值得開發的資源。如莫拉馬豆（morama bean， Tylosema esculentum ）已經是納米比亞、波札那、南非的主食，可與玉米一起煮粥，就很值得開發。另外，原生於西非的斑巴拉豆（Bambara bean， Vigna subterranea ）耐性極強，即使在乾旱與土壤完全不肥沃的情況下也能有合理的產量。 還有原生於印度次大陸的辣木（Moringa， Moringa oleifera ）屬於辣木科，種莢及葉片都可做為菜蔬，不論是在半乾旱、或降雨量超高的熱帶潮濕地區都能持續生存。 另外還有許多野生穀類。全世界有超過一萬種穀類，大部分都沒有被好好地檢視過。其中馬唐屬的 Digitaria exilis 營養豐富，非常耐旱，已在非洲許多區域種植，是很好的未來穀物。被台灣原住民稱為lalumaj的台灣油芒（ Spodiopogon formosanus ）也是禾本科的成員之一，耐旱、全株可用且營養豐富，也是未來穀物的選項之一。 參考文獻： BBC。 Future foods: What you could be eating by 2050 全球獨有，超級未來食物─台灣油芒重見天日！比水稻小麥更營養，抗旱耐鹽耐逆境 糧食危機新解方？ 「未來作物」速食麵問世 兼顧永續與健康

  圖片來源：維基百科 你知道全球有四成五的人以稻米為主食嗎？但是隨著氣候變遷，水稻的產量也受威脅。 為了找出水稻內處理相關壓力的基因，加大河濱分校的研究團隊將水稻暴露在乾旱或洪水的狀態下，試圖找出能幫助水稻度過這些逆境的基因。 研究團隊發現，水稻在乾旱或洪水的狀況下，會製造更多的「木栓質」（suberin）：木栓質是長鏈的脂肪酸，許多在末端都會有羧酸（carboxylic acid），且有些是雙羧酸。在植物中，可以在表皮以及根部的卡氏帶中找到。 研究團隊發現，水稻在感應到缺水或洪水時，其根部會製造更多的木栓質。這些木栓質會讓更多的水分運往莖葉，或是讓更多的空氣運往根部。 研究團隊找到了調節木栓質合成的基因們，未來可透過基因編輯技術來編輯這些基因，讓水稻可以合成足夠的木栓質，如此一來我們就擁有更耐旱、耐洪的水稻了。 參考文獻： Mauricio A. Reynoso, Alexander T. Borowsky, Germain C. Pauluzzi, Elaine Yeung, Jianhai Zhang, Elide Formentin, Joel Velasco, Sean Cabanlit, Christine Duvenjian, Matthew J. Prior, Garo Z. Akmakjian, Roger B. Deal, Neelima R. Sinha, Siobhan M. Brady, Thomas Girke, Julia Bailey-Serres. Gene regulatory networks shape developmental plasticity of root cell types under water extremes in rice. Developmental Cell, 2022; 57 (9): 1177 DOI: 10.1016/j.devcel.2022.04.013

  燕麥。圖片來源：維基百科 燕麥（oat， Avena staiva ）原本與黑麥都是麥田裡的雜草，因為耐寒而在三千年前被選拔出來成為作物。燕麥在馬正式成為家畜以後，逐漸成為馬的食料；人類目前食用燕麥都是為了健康的理由。研究顯示燕麥可以降膽固醇，但奇妙的是，燕麥卻是少數會合成膽固醇的植物。 雖然它叫做燕「麥」，但燕麥幾乎沒有麩質（gluten），所以對麩質過敏的人可以食用燕麥；另外近年來燕麥奶也成為素食者的乳品代用品，使燕麥的重要性水漲船高。另外燕麥還有較高含量的beta葡聚醣，這是對健康有益的纖維質。食用燕麥也不需要那麼多加工步驟，所以它也是比較環保的食品。 除了用作食物，燕麥還對研究有很重要的貢獻：第一個純化出來的光敏素（phytochrome）就是燕麥的光敏素A，所以有許多早期的光敏素特性研究都是燕麥的功勞。 最近的研究解出了燕麥的基因體序列。跟麵包小麥相似的是，燕麥也是六倍體（42條染色體），它的多倍體化大約發生在一千萬年間。因為多倍體化的歷史比麵包小麥悠久，所以來自三種的燕麥染色體之間也發生過非常多的互換，造成基因的分析上更加複雜。研究團隊也同時解讀了二倍體（ Avena longiglumis ）與四倍體（ Avena insularis ）燕麥的基因體。 燕麥總共有八萬個基因（人只有大約兩萬個）。瞭解的燕麥的基因，可以讓燕麥的育種更容易進行；畢竟與小麥相比，種植燕麥需要更少的農藥與肥料，所以在氣候變遷的現代，燕麥的重要性自然不可小覷。 參考文獻： Kamal, N., Tsardakas Renhuldt, N., Bentzer, J. et al. The mosaic oat genome gives insights into a uniquely healthy cereal crop. Nature, 2022 DOI: 10.1038/s41586-022-04732-y

  斗篷草（ Alchemilla mollis ）。圖片來源：維基百科 最近在看《母親的歷史》，裡面第十四章提到兩種過去被認為可以發奶的食物，其中一個是rampion，另一個是lady's mantle。在書中，將rampion譯為「匍匐風鈴草」，而lady's mantle則譯為「羽衣草」。 由於過去的經驗，讓我知道台灣的譯者在翻譯植物的名稱時有時會出問題，所以我就特別去查了一下。 結果rampion應該是「長髮公主桔梗」（ Campanula rapunculus ），英文俗名為rapunzel、rampion，其葉片與根都可食。葉片的用法類似菠菜，根的用法則類似蘿蔔。格林兄弟在寫童話的時候，用了rapunzel來為長髮公主取名，所以中文就成了「長髮公主桔梗」。 至於lady's mantle則應該是「斗篷草」（ Alchemilla mollis ），真正叫做羽衣草的是 Alchemilla japonica ，跟斗篷草同屬不同種。斗篷草發源於南歐，目前全世界都可看到。 通常我搜尋的辦法是：先用英文俗名查詢，找到維基網頁後，核對裡面的英文俗名對不對得上，若對上了，就可看看維基網頁有沒有中文，如果沒有，就用拉丁文學名後面加上「中文」兩個字去查詢，然後找到學名對的應該就是了。 雖然兩百年前的人類認為這兩種植物可以發奶（就是讓產婦分泌乳汁），但察看維基百科的結果，現在的資料並沒有提到這部分，所以應該是沒有這個功能。 註：初步查詢lady's mantle為羽衣草屬（ Alchemilla ）植物，若是特指garden plant（花園植物）則為斗篷草。所以在這裡lady's mantle也可說是羽衣草屬植物。

  阿拉伯芥可在月球土壤中生長。圖片來源： Commun Biol 人類若要進行長程太空旅行，一定要想辦法在太空中種植作物。否則光是攜帶食物的空間就要佔去一大部分的太空船空間，真的很不經濟。 過去曾嘗試 在太空站種植作物 ，但所用的介質來自地球，所以雖然取得成功但並不太意外。如果換了其他星球的泥土呢？是不是也能取得成功？ 這個問題在最近得到了初步的答案。佛羅里達大學的研究團隊使用了三次太空任務帶回的月球泥土種植阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ），證實了植物在月球泥土中可以生長。 由於三次太空任務（阿波羅11, 12, 17）總共只帶回了12克的月球泥土，所以也只能以阿拉伯芥來測試。畢竟，如果不是用全月球泥土就沒有意義了不是嗎？研究團隊用了培養細胞用的小培養盤（48穴培養盤），每盤裝0.9克月球泥土，然後將阿拉伯芥的種子種下。 大多數的種子很快（48-60小時）就發芽了。這讓研究團隊很開心，不過隨著植物逐漸長大，研究團隊發現有些在月球泥土中長大的阿拉伯芥，它們長得比較小也比較慢。分析這些植物的基因表現發現，這些植物的確有出現壓力反應。 研究團隊希望能夠透過更多的轉錄體分析來瞭解，究竟月球泥土對植物造成怎樣的生存壓力，而我們又可以如何緩解這些壓力，讓我們真的可以在月球種田。 參考文獻： A.L. Paul et al. 2022. Plants grown in Apollo lunar regolith present stress-associated transcriptomes that inform prospects for lunar exploration. Commun Biol 5, 382; doi: 10.1038/s42003-022-03334-8

  離層酸。圖片來源：維基百科 用種子種過植物的朋友，應該都體會過那神奇的一刻：發現土壤表面破土而出的嫩綠小苗，或還是彎曲的胚軸（hypocotyl），深深地感到新生命誕生的喜悅！這種喜悅，跟做母親的喜悅是不相上下的。但是，種子怎麼知道要萌發呢？ 過去的研究知道，水分的供應是種子萌發的重要因素，但當水分穿透種皮、把種子泡脹了以後，種子內部又發生了什麼變化呢？從賀爾蒙的角度來看，種子在成熟時，會大量地合成離層酸（ABA，abscisic acid）；是離層酸抑制了種子發芽，甚至幫助種子進入休眠期。但種子發芽時離層酸的濃度會下降、吉貝素（GA，gibberellic acid）的濃度會上升。 吉貝素濃度上升是因為胚胎（幼苗）開始合成，而離層酸的減少，許多教科書都認為，是因為離層酸可溶於水，當種子泡水的時候，就會帶走離層酸。但是真的是這樣嗎？ 最近的研究發現，離層酸在發芽的種子內之所以濃度會降低，固然被水沖走是一個因素，但另外一個因素則是因為，種子本身的離層酸合成也降低了。研究團隊發現，負責合成離層酸的重要酵素 NCED6 （9-CIS-EPOXYCAROTENOID DIOXYGENASE 6，9-順-環氧類胡蘿蔔素二氧化酶6）的轉錄，在種子發芽的過程中會逐漸被關掉。 負責關掉它的轉錄的基因，是RNA結合蛋白RZ-1與另一個稱為PRC2的蛋白。研究團隊發現，RZ-1會促進組蛋白H3的去乙醯化（deacetylation），並抑制組蛋白H3在第四個離胺酸的三甲基化（H3K4me3，這會活化基因的表現）。這造成了 NCED6 的轉錄沉默以及組蛋白H3的第27個離胺酸三甲基化的累積（H3K27me3，這會造成基因沉默）。 由於基因體分析發現，由PRC2所導致的轉錄沉默很多都需要RZ-1，所以研究團隊大膽提出了一個模型：在種子發芽時，透過RZ-1與PRC2通力合作，導致 NCED6 的轉錄沉默，於是離層酸的合成就下降，加上水分也會帶走一些離層酸，於是種子中離層酸濃度下降，加上種子努力合成吉貝素，於是種子就發芽了。 參考文獻： Deyue Yang, Fengli Zhao, Danling Zhu, Xi Chen, Xiangxiong Kong, Yufeng Wu, Min Chen, Jiamu Du, Li-Jia Qu, Zhe Wu, Progressive ch

  大葉藻是廣泛分布於北半球海底的維管束植物。 圖片來源：維基百科 海底有著許多植物，包括藻類（algae）與維管束植物（vascular plants）。其中維管束植物特別被稱為「海草」（seagrass）。 最近的一項研究發現，這些海草們的根部會分泌大量的糖，且主要是以蔗糖（sucrose）的形式分泌。研究團隊估計，全球海底含有大約0.6到130萬噸蔗糖！ 這麼多蔗糖，為什麼不會被細菌吃掉呢？畢竟這些海草們又不是生長在無菌的環境中？研究團隊發現，原來這些海草的根部還會分泌酚醛類化合物（phenolics），是這些酚醛類化合物抑制了細菌，讓細菌無法把海草們產生的蔗糖給吃掉。 不過，還是有少數細菌可以不受到酚醛類化合物的抑制，而在根部滋長。這些細菌不只會消化蔗糖與分解酚醛類化合物，還會產生一些植物所需要的含氮化合物，讓海草們長得更好。這個現象類似於陸生植物也會跟根瘤菌產生共生關係。 過去對海草的瞭解並不多，研究團隊認為，後續還需要更多的研究，來幫助大家瞭解更多海底的植物世界。 參考文獻： Sogin, E.M., Michellod, D., Gruber-Vodicka, H.R. et al. Sugars dominate the seagrass rhizosphere. Nat Ecol Evol, 2022 DOI: 10.1038/s41559-022-01740-z