老葉的植物王國

  圖片作者：NotebookLM 皇帝寫詩談祈雨、擔心沒下雨， 那麼，皇帝在祈雨時，心裡最牽掛的是哪一種作物呢？ 看文章 （6/5將轉入付費）

  圖片作者：ChatGPT 在農業上，開花時間決定了作物能不能順利開花、結果。太晚開花會來不及結果、影響收穫，太早開花也一樣會影響產量。水稻的 Ghd7是開花時間最重要的抑制因子之一。在長日照狀況下，這個基因會讓水稻晚開花。 最近，日本的研究團隊想瞭解它的表現如何調節，結果出乎意料！ 看文章

  圖片取自 期刊 。 小時候讀生物，對於用長頸鹿來解釋生物的演化印象深刻。 在當時，這個例子把拉馬克的「用進廢退」打得垮垮的。 但是，隨著表觀遺傳學的發現，現在許多人對拉馬克的學說開始用不同的眼光。 最近的水稻研究發現，在某些特定的狀況下，環境壓力是有可能造成可以遺傳變化的～ 看文章

  台灣水稻種植面積與產量。圖片作者：老葉 水稻（ Oryza sativa ）是我們的主食之一，而且在二戰以前，幾乎可以說是唯一的主食。 台灣人本來是吃秈稻（在來米）的，因為日本的影響，讓台灣人開始種稉稻（蓬萊米）！ 要不要猜一下，台灣最大的稻米產地在哪裡呢？ 看文章

  水稻。圖片取自維基百科 當我們生病時，身體會透過免疫系統來對抗病毒，例如產生抗體或發炎反應。植物當然也有自己的「免疫系統」，能夠感知病毒的入侵並啟動防禦反應。最近，一篇發表在《Nature》的研究發現，水稻擁有一種特殊的分子感測器，可以偵測病毒的入侵，並迅速發動「化學戰」，阻止病毒擴散。 看文章

  圖片作者：ChatGPT 水稻是對低溫極為敏感的作物。在穗分化至抽穗階段時如果氣溫驟降，就會產生寒害。稉稻比秈稻更耐寒，這使得稉稻可以適應高緯度與高海拔地區的環境。 最近有個研究，透過篩選抽穗階段耐寒的基因，找到了稉稻的耐寒基因喔！ 看文章

水田會產生甲烷。圖片取自 維基百科  提到減少溫室氣體排放，有多少人知道，種田也會排放溫室氣體嗎？而且，還是甲烷喔！ 水田會排放甲烷，說來真是尷尬，但是人不能不吃飯，所以很多專家對這件事都是「選擇性沉默」。 不過，最近有個好消息！低甲烷排放的水稻終於出現了！而且是「非基」的喔！ 看文章

  水稻。圖片來源：維基百科 從人類注意到有些農作物不能在同一塊土地上連作、到懂得施肥與輪作，甚至開始利用豆科植物來提升農作物的產量，中間可能有上千年的歷史。 後來有許多研究，確定了植物有17個必需元素。但是，有些植物需要的比別人更多一點。 像禾本科植物，就需要矽。最近的研究發現了一個與矽相關的蛋白質！ 看文章

  移碼突變。圖片作者：老葉 我們在學習生物學的時候，總會提到「大部分」的突變都對生物有害。其中有一類的突變稱為「移碼突變」，是因為刪除或加入核苷酸，造成轉譯時無法再依照原來的方式讀密碼。 但是，有時候雖然發生了移碼突變，基因卻還是能產生有功能的胺基酸！ 這實在太奇妙了！讓我們一起來看看吧！ 看文章

  高粱。圖片來源：維基百科 要如何提升植物光合作用的效率，好讓糧食得以增產呢？我們曾介紹過將藻類的蛋白核植入的方法，也提到過有些科學家想要把C3植物改成工作效率高一倍的C4植物。 要把C3改成C4，牽涉到「髓鞘細胞」，恐怕大不易喔！不過，最近的研究發現，可能比我們想得要簡單「一點點」！ 看文章

  圖片來源： 期刊 因為不容易區分受傷與照光，植物對紫外光的反應一直都不是很清楚。透過使用阿拉伯芥的紫外光受器的基因資料，研究團隊找到了水稻的紫外光受器。 不過，單子葉植物對紫外光的反應與雙子葉植物（阿拉伯芥），還是有一些不同的！ 看文章

  圖片來源：PLOS ONE 過去檢視禾本科馴化的時間，都是用種子與小穗出現斷裂與否來辨別的，最近的一個研究，中國的研究團隊使用了一個不一樣的標準，將稻米馴化的時間點往前提到與小麥差不多的時間。至於要不要接受這個定義？就看讀者的想法囉！ 看文章

  圖片作者：ChatGPT 水稻（ Oryza sativa ）是世界上非常重要的糧食作物，它的產量受多種因素影響，其中氮肥的使用是提高產量的關鍵之一。 為了瞭解究竟要怎麼適當施肥，中國的研究團隊使用了兩種水稻品系：DF114（東富114）和LD11（龍稻11）。這兩個品種具有相似的生長周期，但是DF114是穗重型（PWT）品種，而LD11則是穗數型（PNT）品種。也就是說，DF114的產量主要受穗重的影響，而LD11的產量則主要受穗數的影響。 實驗採用完全隨機區組設計，包括三重複。氮肥策略作為主要處理，水稻品種為子處理。每個實驗區域長8公尺、寬6公尺，行距30厘米，垄距13.3厘米，每壟種植兩株稻苗。主實驗區域用堤岸分隔。種子於2021年4月16日和2022年4月16日播種。在四葉期選擇生長相似的秧苗，分別於2021年5月18日和2022年5月17日移栽。 研究團隊使用了五種不同的氮肥處理策略： N0：不施用氮肥 N1：農民常規氮肥策略（基肥：分蘖肥比例為6:4） N2：基肥：分蘖肥：穗肥比例為6:2:2 N3：基肥：分蘖肥：穗肥比例為5:3:2 N4：基肥：分蘖肥：穗肥比例為4:3:3 氮肥以尿素（46%）形式施用，總施氮量為150公斤/公頃，基肥施用90公斤/公頃。此外，還施用鉀肥作為基肥和穗肥。 基肥施用於水稻的播種階段。種子分別於2021年4月16日和2022年4月16日播種。分蘖肥施用於水稻的分蘖期，通常是在播種後的30至50天左右，具體時間取決於水稻的生長速度和環境條件。穗肥施用於水稻的生長轉換期，即從植物的莖葉生長轉向穗部和稻米的生長。在這項研究中，通常發生在移栽後大約50天左右。 DF114和LD11兩種水稻品種在不同氮肥處理下的最終產量（單位：噸/公頃）如下： DF114： N0處理：3.92 N1處理：7.62 N2處理：8.03 N3處理：8.19 N4處理：8.4 LD11： N0處理：4.14 N1處理：7.5 N2處理：8.05 N3處理：8.21 N4處理：7.94 從這些數據中可以看出，對於DF114品種，N4處理（基肥：分蘖肥：穗肥比例為4:3:3）下的產量最高。而對於LD11品種，N3處理（基肥：分蘖肥：穗肥比例為5:3:2）下的產量最高。 研究團隊發現，不同的...

  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...

  圖片來源：維基百科 要增加作物的產量，最直接的方法當然是找尋多產的品系；但是到底有多少個基因會影響到作物的產量呢？要怎麼去找呢？這就比較讓人費心了。 最近有研究團隊為了要提高玉米的產量，將馴化品系的玉米B73與基因體中含有四分之一的大芻草（teosinte）基因的品系MT-6進行雜交。雜交後再將雜交種進行分析後發現，在第二條染色體的短臂上有一個數量性狀基因座（QTL，quantitative trait loci）與產量有關。 接著研究團隊針對這個數量性狀基因座進行了進一步的研究，找到了一個被命名為 KRN2 的基因。B73與MT-6因為 KRN2 的不同，造成B73平均比MT-6多了1.4籽粒行數。失去 KRN2 的突變株，其籽粒行數MT-6多了1.8行，而B73的 KRN2 的表現也比MT-6多了要低，顯示 KRN2 的確與控制籽粒行數的性狀相關。 分析 KRN2 的蛋白質序列，發現它帶有WD40重複。這類的蛋白多半都是透過與其他蛋白質進行互動來影響發育、代謝物合成以及免疫功能。研究團隊以酵母菌雙雜交（yeast two-hybrid）技術，找到了六個與它有互動的基因。其中的 DUF1644 基因與 KRN2 有協同作用：兩個基因都失去功能時，籽粒行數比只缺少 KRN2 增加得更多。但目前對於 DUF1644 到底有什麼功能，還不是很清楚。 搜尋基因庫時，研究團隊發現 KRN2 在許多主要穀物中都有。其中稻米的 KRN2 位於第四條染色體，分析顯示水稻的 KRN2 也有經歷選擇壓力。研究團隊以基因編輯的技術讓水稻不表現它的 KRN2 ，結果次生穗分枝從16個增加到18.9個。透過改變 KRN2 的表現，玉米的產量增加了10%，水稻的產量則上升了8%。 田間試驗也發現，透過基因編輯不表現 KRN2 的玉米與水稻，其產量分別增加了9.8-10.3%以及7.9-8.2%。所以，減少 KRN2 的表現的確可以提升玉米與水稻的產量，未來也可以透過這個方法，來讓玉米與水稻更多產。 參考文獻： Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice. Science. DOI: 10.1126/science.abg7985

  圖片來源：維基百科 扣掉動物食用的部分，稻米是世界第二大穀物。根據聯合國農糧署的資料，2018年全世界稻米產量為7.82億噸，東亞產量為2億3千1百08萬公噸，約為29.6%。臺灣2018年稻米產量為194萬9769公噸，約佔東亞產量的0.84%。 世界不同區域種植的水稻種類/品系也有不同。在南亞與西非種的是可以耐洪水的深水稻（deepwater rice），在其他地區種植的則大多是一般的水稻。深水稻在洪水來臨的時候會進行節間（葉子在莖上附著的位置稱為節，兩個節之間的莖就是節間）的延長，讓它的莖長到水面以上，可以持續地呼吸而不會窒息而死。但一般水稻在洪水來臨時就不會進行這樣的反應了。 最近日本名古屋大學的研究團隊發現了兩個與水稻節間延長相關的基因： ACCELERATOR OF INTERNODE ELONGATION 1 ( ACE1 ) 與  DECELERATOR OF INTERNODE ELONGATION 1 ( DEC1 )。這兩個基因在水稻中互相拮抗，從而影響水稻的節間延長。 在深水稻中，吉貝素（GA，gibberellic acid）與 ACE1 會共同作用來使水稻的節間延長。一般水稻缺少有功能的 ACE1 基因。而深水稻與一般水稻都有 DEC1 基因：在深水稻中，淹水或是吉貝素都可以抑制 DEC1 的表現，讓節間停止延長；但是在一般水稻中， DEC1 並不會受到淹水或吉貝素的影響。 到底吉貝素在不同水稻種類/品系中是如何調節這兩個基因的表現，以及這兩個基因是透過什麼樣的機制來影響水稻的節間延長，還需要進一步的研究。另外，研究團隊也發現其他的禾本科植物--如大麥--也有這兩個基因。到底這兩個基因在其他禾本科植物扮演什麼樣的角色，也很值得探討。 參考文獻： Keisuke Nagai, Yoshinao Mori, Shin Ishikawa, Tomoyuki Furuta, Rico Gamuyao, Yoko Niimi, Tokunori Hobo, Moyuri Fukuda, Mikiko Kojima, Yumiko Takebayashi, Atsushi Fukushima, Yasuyo Himuro, Masatomo Kobayashi, Wataru Ackley, Hiroshi Hisa...

圖片來源： Wikipedia 稻米是世界經濟最重要的穀物之一，扣掉動物食用的部分，稻米是世界產量第一的穀物。 但是，它本來一種野生植物。人們究竟在多久以前把稻米帶進他們的世界？之前最古老的發現在浙江餘姚河姆渡文化遺址，約為6,000-7,000年前。雖然曾在湖南省道縣玉蟾岩發現四枚水稻穀（14,000-18,000年前），但因為無法確認是否為人工種植的水稻，目前還是認定水稻馴化時間為6,000-7,000年前。 不過，最近的發現，揭示了水稻馴化的年代可能要再往前提三千年。 浙江省的文物考古研究所三名研究人員，與多倫多大學教授加里·克勞福德合作，在長江下游的虎溪地區的溝裡，發現古老的馴化稻片段。他們發現的主要是水稻的底部、稻殼和葉表皮；種種跡象顯示這些水稻有被特意培養，並不是野生稻。在這遺址發現的水稻植物遺存，具有粳米（短粒米）的特性；因此，這次的發現也第一次澄清了這個特定的水稻作物的血統。 除了稻米以外，研究團隊還找到了先進的陶器和石器，還有獸骨、木炭和其他植物種子。 找到遺址只解開了問題的一小部分。最重要的問題是：究竟是什麼迫使他們放棄狩獵、採集，全心全意地投入農耕？這可能是全世界的人類考古學家共同的問題。 參考文獻： Yunfei Zheng, Gary W. Crawford, Leping Jiang, Xugao Chen. Rice Domestication Revealed by Reduced Shattering of Archaeological rice from the Lower Yangtze valley. Scientific Reports, 2016; 6: 28136 DOI: 10.1038/srep28136