老葉的植物王國

  圖片取自維基百科。 「機會是給準備好的人。」如果要找一種植物最能詮釋這句話，那就是稻米。 最近的研究發現：早在人類還不會種田的時候，野生稻早已在基因裡累積了無數潛能——不易脫落的穗軸、糯性的澱粉、對冷與病原的耐受力。這些突變不是為人類而生，而是演化在無意間留下的伏筆！ 看文章

  圖片作者：老葉 跟全世界比起來，台灣稻米的生產狀況如何？ 在這篇文章裡，我使用了農糧署的資料。我用百分位數來呈現，因為我覺得講第幾名其實意義不大。 看文章

  圖片取自 期刊 一年生植物一開花，就啟動衰老程式；但是衰老進行得太快，也會影響產量。 最近的研究，科學家發現了可以延遲衰老的基因喔！ 看文章

  圖片來源：維基百科 大家對氣候變遷（climate change）應該都不陌生了。但很多人可能不知道，氣候變遷帶來的影響主要是夜晚的溫度上升，也就是說，涼爽的夜晚日漸減少。這會帶來什麼樣的影響呢？ 過去數十億年來，地球始終都是白天熱、晚上冷；所以地球上的生物也都會配合這樣的溫度變化調節自己的基因表現。舉例來說，與光合作用（photosynthesis）相關的基因的表現量在黎明前會開始上升，在傍晚時會開始下降。這些基因的表現受到光線與溫度的調節。 最近的研究發現，當夜晚溫度上升攝氏2度時，稻米的基因表現會改變。 研究團隊在菲律賓的國際水稻研究所（IRRI，International Rice Research Institute）進行這項研究。他們在兩個不同的地點進行這項研究，使用加熱器來提高夜晚的溫度。研究團隊發現，當夜晚溫度提高攝氏2度時，有超過一千個基因在不對的時間表現。舉例來說，與光合作用相關的數百個基因，就會出現延遲表現的現象；而另外的數百個基因則在傍晚時提早表現，造成產量受到影響。 研究團隊發現，這些基因大概都受到24個轉錄因子（transcription factor）的調節。他們計畫將針對其中的四個進行深入研究，進一步瞭解溫度是如何影響稻米的產量。 參考文獻： Jigar S. Desai, Lovely Mae F. Lawas, Ashlee M. Valente, Adam R. Leman, Dmitry O. Grinevich, S. V. Krishna Jagadish, Colleen J. Doherty. Warm nights disrupt transcriptome rhythms in field-grown rice panicles. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (25): e2025899118 DOI: 10.1073/pnas.2025899118

水稻。圖片來源：維基百科。 水稻是東亞與非洲重要的主食。2018年全世界稻米產量為7.82億噸。許多國家以稻米為主食之一，若扣掉動物食用的部分，並將亞洲水稻（ Oryza sativa ）與非洲稻（ Oryza glaberrima ，光稃稻）合併計算，稻米可說是世界上最多人食用的穀物，也是世界產量第一的穀物。 這樣重要的作物，每年要消耗世界大約三分之一的水來種植它。隨著氣候變遷、旱澇相繼，有些地區因為缺水開始變得不適合種植水稻，但糧食安全是個重要的議題，總不能全部依賴進口。 有些科學家便開始想，如果水稻不是C3植物，而是C4植物就好了。畢竟C4植物比C3植物要省水，也比較耐熱。於是「國際C4水稻計畫」（the international C4 Rice Project）就這麼誕生了。這個計畫包括了許多不同國家的研究團隊，由牛津大學主導。他們認為，如果可以把水稻變成C4植物，水稻的光合作用效率會提升50%、提升氮的使用效率、還可以改善水的消耗。 最近他們有了第一個突破。透過合成生物學的協助，研究團隊只花了一年的時間就一次將五個玉米的C4代謝相關的基因（碳酸酐酶[carbonic anhydrase]、 磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶[phosphoenolpyruvate (PEP) carboxylase]、NADP-蘋果酸脫氫酶[NADP‐malate dehydrogenase]、 丙酮酸正磷酸二激酶[pyruvate orthophosphate dikinase] 與NADP蘋果酸酶[NADP‐malic enzyme]）轉入超早熟水稻品系（ Oryza sativa spp. japonica cultivar Kitaake）中。過去光是要轉入一個基因，就要花好幾年。 碳酸酐酶負責將二氧化碳與水反應，產生PEP羧化酶所需要的重碳酸根（bicarbonate，HCO 3 - ）；PEP羧化酶負責把重碳酸根與PEP反應，產生草醯乙酸（oxaloacetate），這是C4植物的第一個固碳反應；而NADP-蘋果酸脫氫酶、 丙酮酸正磷酸二激酶與NADP蘋果酸酶則是C4反應中必需的酵素。 研究團隊確認了這五個基因在水稻中都有表現，也都有活性。以碳十三標定的二氧化碳追蹤發現，流向PEP羧化酶的碳增加了十倍（約為玉米的2%）。 雖然這個水稻還不是C4植物，...

  稻米。圖片來源：維基百科。 鋅（zinc，元素符號Zn）是植物的必需元素之一，植物吸收鋅的形式是以二價陽離子的型態（Zn 2+ ）吸收。過去知道缺鋅的植物葉片會變小、節間會變短。 最近在稻米的研究發現，缺少運鋅蛋白 OsZIP4 會影響到稻米的產量。 OsZIP4 在分蘗與節可以偵測到，且在缺鋅時表現量會上升。 研究團隊發現，缺少 OsZIP4 的突變株稻米，雖然鋅的攝取不受影響，但營養期時留在莖的基部的鋅變多，造成分布到分蘗芽（tiller bud）及新葉的鋅會減少；以生物造影觀察也發現， OsZIP4 突變株鋅主要累積在莖基部的節，而野生種則累積於生長點。 繁殖期 OsZIP4 突變株因為鋅較慢分布到稻穗（panicle），使得稻穗的發育變慢。由於分蘗數對稻子的產量很重要，而稻穗的發育當然與稻子的產量更有直接的關係，所以這個研究顯示了鋅能否正確的分布到稻子不同的組織間，對稻子的產量很重要。 透過研究 OsZIP4 基因可知：鋅透過 OsZIP4 先分布到篩管，再送到分蘗芽及其他組織。 參考文獻： Shuai Mu et. al., 2020. A transporter for delivering zinc to the developing tiller bud and panicle in rice. The Plant Journal. doi:10.1111/tpj.15073

血管收縮素轉化酶（ACE）。圖片來源： 維基百科 大家都聽過高血壓（hypertension）吧！血壓為心臟跳動時肌肉收縮或舒張時的測量值；又分為收縮壓與舒張壓。收縮壓是血壓的最大值，舒張壓是血壓的最小值。大部分成年人在休息時的收縮壓在 100-130 毫米汞柱（ mmHg），舒張壓是 60-80 毫米汞柱。若血壓持續超過 130/80 或 140/90 毫米汞柱（收縮壓/舒張壓），有可能是高血壓。高血壓是動脈血壓持續偏高的慢性疾病，一般沒有症狀，不過長期高血壓為冠狀動脈疾病、中風、心臟衰竭、心房顫動、周邊動脈阻塞、視力受損、慢性腎臟病及失智症等病症的主要危險因子。 高血壓可以分為原發性高血壓和繼發性高血壓，其中有 90-95% 為原發性高血壓，意即肇因於生活型態或遺傳因素。會增加風險的生活型態為飲食含有過量食鹽、超重、吸菸及喝酒，剩下的 5-10% 是繼發性高血壓，肇因於其他病症如慢性腎臟病、腎動脈狹窄、內分泌疾病或是使用避孕藥。 降低血壓和致命併發症的風險在於改變生活型態與藥物控制。其中一類藥物為血管收縮素轉化酶抑制劑（ACE inhibitor），其作用機制為抑制血管收縮素轉化酶（ACE，Angiotensin-converting enzyme）。 主要位於肺部微血管的血管收縮素轉化酶藉由將血管收縮素I（angiotensin I）轉化為血管收縮素II（angiotensin II）來控制血管的收縮以調節血壓。目前治療高血壓的療法也包括了使用ACE的抑制劑，但有些抑制劑有副作用，包括：乾咳、頭痛、皮疹以及腎功能損害等。 相對的，一些天然的ACE抑制劑的副作用可能較小。但這些天然的ACE抑制劑卻面臨了另一個問題是：它們通常在天然來源裡的濃度並不高，因此要藉由攝食食物（如牛奶、蛋、魚、肉或植物）來獲取它們的這種作法也不實際。至於純化萃取呢？由於純化萃取的步驟複雜，因此成本也相當高。 不過，最近中國科學院將九個可使血管舒張的多肽以轉殖的方式置入稻米中（彼此間以精胺酸arginine和穀胺醯胺glutamine隔開），讓它們在稻米中表現。接著他們將米粒中的蛋白質萃取出來餵食高血壓大鼠。大鼠在餵食後兩小時，血壓就降下來了；以轉殖米磨成米粉來餵食高血壓大鼠五週後，大鼠的血壓也下降了，而且這個效果在停止餵食後一週仍維持著。 當然，讀者可能會...

稻米（1,2）。 圖片來源：Chen et al, doi: 10.1007/s11430-019-9585-2. 稻米是亞洲最重要的穀物，在東亞與南亞尤其重要。在中亞，稻米也是非常重要的穀物，但是相關的考古證據並不多。 亞洲的稻米分為兩大品種：秈稻與粳稻。秈稻多分佈在亞洲南部、粳稻多分佈在北部。 最近一個國際研究團隊在中亞的東南烏茲別克斯坦的Surkhan Darya地區的Khalchayan考古現場發現了兩顆完整的米粒。從米粒的長寬比看來，這兩粒米應該是粳米（japonica）。 除了稻米，他們還發現了小麥、大麥、豌豆、亞麻、小扁豆、葡萄和其他農作物。 這個發現顯示了在公元250年時，居住在中亞的人們應該已經開始「吃飯」了。 參考文獻： G. Chen et al. 2020. Kushan Period rice in the Amu Darya Basin: Evidence for prehistoric exchange along the southern Himalaya. Sci. China Earth Sci 63, 841-851; doi: 10.1007/s11430-019-9585-2

圖片來源：維基百科 你知道全球一半的人的主食是稻米嗎？並不是只有亞洲人才吃米，非洲人也吃米，只是他們吃的品種不一樣罷了。 考古證據發現，稻米最早大約在九千年前在亞洲的長江流域馴化，馴化的品種為稉稻（ Oryza sativa subsp. japonica ），然後傳播到東亞、東南亞和南亞，然後是中東、非洲、歐洲和美洲。在此過程中，水稻演化並適應了不同的環境，但對這種傳播所涉及的路線、時間和環境因素知之甚少。 最近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。 研究人員分析了1,400多個水稻的全基因組序列（包括亞洲水稻的兩個主要亞種-稉稻和秈稻， Oryza sativa subsp. indica ）的全基因組序列，並結合了地理、考古學和歷史氣候數據。 在馴化的頭4,000年，水稻的種植主要侷限於中國，而稉稻是種植的亞種。然後，4,200年前的全球降溫事件-也稱為4.2k事件，據認為造成從美索不達米亞到中國的文明崩潰-恰逢稉稻演化出溫帶和熱帶品系。溫帶品系分佈在中國北部、韓國和日本，而熱帶品系則傳播到東南亞。 全球降溫事件之後，熱帶稉稻繼續演化。考古證據與基因體的分析顯示，它可能是隨著於貿易網絡以及該地區商品和人民的流動，在大約在2,500年前到達東南亞的島嶼。 至於秈稻則在大約4,000年前起源於印度的恒河下游谷地後，大約在2,000年前從印度向中國傳播。 了解稻米的傳播和相關的環境壓力也可以幫助科學家開發新品系，以應對未來的環境挑戰，例如氣候變化和乾旱-可以幫助解決迫在眉睫的糧食安全問題。 參考文獻： Rafal M. Gutaker, Simon C. Groen, Emily S. Bellis, Jae Y. Choi, Inês S. Pires, R. Kyle Bocinsky, Emma R. Slayton, Olivia Wilkins, Cristina C. Castillo, Sónia Negrão, M. Margarida Oliveira, Dorian Q. Fuller, Jade A. d’Alpoim Guedes, Jesse R. Lasky, Michael ...

圖片：維基百科 稻米餵養了世界一半的人口，但水田的排放的甲烷（methane）卻佔了全世界溫室氣體排放的5%。甲烷比二氧化碳對溫室效應的提升能力更強（至少三十倍）。 為什麼水田會排放這麼多甲烷呢？原來當稻田淹水時，水下的細菌們會因為缺氧而進行發酵作用，發酵作用會產生甲烷。水田裡八成到九成的甲烷產出，都是來自這些細菌們。 過去這些年，許多研究團隊也很努力地想要找出方法降低水田的甲烷排放：如我們在 2015年介紹 過的，將大麥（barley）的 SUSIBA2 基因放進稻米中，使稻子合成更多的澱粉，根部便會分泌少一點醣類以及其他的化合物，這使得水田裡的細菌們的食物減少，於是產生的新種稻米在開花前釋放的甲烷只有原品系的5%-10%左右，開花以後，因為合成穀粒的緣故，水田釋放的甲烷降到原品系的0.3%。 雖然這方法不錯，但是牽涉到基改作物總會讓一部份的人不滿意。有沒有其他的辦法可以降低水田中的甲烷排放呢？ 最近丹麥與德國的研究團隊發現，在稻田中添加Desulfobulbaceae菌，可以有效地降低甲烷排放，而且效用可以持久。 Desulfobulbaceae菌又被暱稱為「 電纜細菌 」（cable bacteria），當初是因為有科學家偵測到海洋底泥裡有電流在表層和底層間傳送而被發現的。這種細菌會一個接一個的連接起來形成長長的「電纜」構造（長可達三公分），靠著這樣的連結把缺氧的底泥的硫化物（sulfide）的氧化跟接觸得到氧氣的泥層的氧或硝酸根（nitrate）的還原連結在一起，使它們可以靠氧化硫化物來產生能量。而這些硫化物可以抑制水田中的甲烷菌，讓它們無法進行發酵作用產生甲烷。 過去也曾發現，在水田中施放硫化物可以抑制甲烷排放，但施放硫化物的效果並不長久。加入電纜細菌可以有效地抑制甲烷的產生，且因為電纜細菌能與水田中的其他細菌形成生態系，所以這個效果是可長可久的。 期盼這個研究可以廣泛地應用在全世界的水田裡，如此一來我們就可以更安心地大口吃飯了。 參考文獻： Vincent V. Scholz, Rainer U. Meckenstock, Lars Peter Nielsen, Nils Risgaard-Petersen. Cable bacteria reduce methane emissions from rice-...

稻子的花。圖片來源： Wiki 生活中的稻米 曾經是我們的唯一主食，現在也還是我們的主食之一的稻米，不管是稀飯、乾飯、蘿蔔糕、端午節的粽子，大家應該都不陌生吧！ 聽過「蓬萊米」、「在來米」與「糯米」嗎？是否曾想過，到底它們有什麼不同呢？ 除了米粒的形狀以外，蓬萊米（稉稻）、在來米（秈稻）與糯米最大不同的地方，是它們支鏈澱粉的含量。澱粉分為直鏈澱粉與支鏈澱粉，支鏈澱粉因為有分支，使它能跟更多的水分結合，讓煮好的飯產生軟黏的口感；所以米裡面的支鏈澱粉越多，飯就越黏。在來米只有不到八成的支鏈澱粉，而糯米有超過九成五都是支鏈澱粉；因此在來米煮成的飯乾乾鬆鬆的，適合用來製作米粉、河粉、碗粿、蘿蔔糕、米苔目等食物；而糯米煮成的飯很黏，適合用來製作八寶粥、粽子、油飯、湯圓、麻糬等點心。至於我們常吃的蓬萊米，所含的支鏈澱粉介於在來米與糯米之間，所以煮成的飯軟黏度適中，好好吃喔！不過，因為直鏈澱粉只要一個酵素就可以分解，而支鏈澱粉卻需要兩個酵素，所以糯米的確是不好消化，不要吃太多喔！ 在台灣，目前種植最多的是蓬萊米，佔93%以上；蓬萊米裡面最受歡迎的品系則有臺稉9號、臺農71號（益全香米）、高雄139號、高雄145號、臺稉16號；種植最多的是台南11號。而全台灣產最多稻米的地區是雲林縣、彰化縣與嘉義縣。 稻米如何進入歷史 水稻是亞熱帶、熱帶作物，過去認為中國大陸的南方大約在六、七千年前開始種稻，不過最近在長江下游的虎溪地區，發現了古代種植水稻的遺跡，顯示中國的水稻栽培可能在九千年前就已經開始了。過去科學家們一直都無法確定稉稻與秈稻究竟是不是有共同的祖先，不過因為這次在虎溪地區發現的可能是稉稻，也進一步支持稉稻與秈稻應該有不同祖先的說法。 雖然中國在九千年前就已經開始種水稻，但是直到漢朝，吃大米都還是貴族的特權；三國以後北方才開始種稻，南方開始有類似現在的「魚稻共生」的技術出現。 台灣最早開始種稻是五千年前台南的大坌坑文化，當時種的是旱稻喔！十七世紀荷蘭人帶來了秈稻與水牛，而清朝來台灣的閩粵移民，除了帶來耕作灌溉技術以外，也從家鄉帶了更多不同品系的秈稻。 到了日治時期，因為日本人吃不慣秈稻，便由日本引進稉稻，並由磯永吉先生與末永仁先生進行育種。他們把日本水稻「龜治」與「神力」雜交，於1929年培育出適合台灣氣候條件的新種稻米「台中65號」，由當...

圖片來源： Wikipedia ※本文是筆者為「青年尬科學」說明會所進行的科普演講改寫而成，內容與演講略有不同。 今天早餐吃了什麼？不論是麵包、玉米片還是稀飯，其實來源都是同一家族的植物：禾本科（ Poaceae ）。禾本科雖然只是種子植物的第五大家族，但我們的主食卻少不了它：麵包（小麥）、玉米片（玉米）、稀飯（稻米），甚至小米粥（小米）或是五穀或十穀飯，裡面都有大量的禾本科植物。當我們工作累了，決定要去郊外「踏踏青」的時候，有多少人想到，我們三餐主食的出身，本來也跟我們腳下的這些「草」沒有兩樣呢？ 從以恐龍糞便化石中的植矽體（phytoliths）的樣貌，在白堊紀末期初登場以後，禾本科植物已經是種子植物中覆蓋地球最廣的科別了。那些默默在肥沃月彎年復一年地開花、結子，隨後散落一地的一粒麥（einkorn）與二粒麥（emmer），是在哪個時間點吸引了人們的注意力而被採集，又是從什麼時候開始，人類決定要開始種植它們的呢？ 確切的年代無法得知，但伴隨著農業行為的開始，成熟後散落一地的麥粒，慢慢的成了依附在麥稈上金黃的麥穗；由於小麥不需要插秧、也不必挖穴種植，很快的它就成了重要的糧食，而種植它的人們，也為了照顧它放棄了四處為家的生活。 在這互相馴化的過程裡，除了小麥，大麥也是人們的朋友。但是，羅馬人卻愛上了小麥，而將大麥棄之如敝屣。當田地在年復一年地耕種後變得不再適合種植小麥以後，羅馬人甚至寧願離鄉背井、攻城掠地，去尋找新的小麥產區，也不願委屈自己吃大麥。他們對小麥的偏執，甚至造成了埃及的滅亡。 愛上小麥的不僅僅是羅馬。埃及人相信小麥發芽代表了生殖能力，於是將小麥作為婦女驗孕的工具：懷疑自己可能有孕的婦女，將尿液撒在小麥的種子上面，看看過幾天會不會發芽，以此作為是否懷孕的指標。 盼望著為家庭增添新成員的埃及婦女，每天回到播種的地方，冀望看到青翠的麥苗在風中搖擺；在另一個時空裡，華北的漢民族看著青翠的小米秧苗，吟詠著「彼黍離離，彼稷之苗」。因為生長期短、容易栽種，小米成為陪伴漢民族在華北平原成長的先驅部隊，直到小麥與稻米先後將它逼退。即便在唐朝中葉以後，小米的地位已大不如前，但居住在北方的漢民族仍有吃小米的習慣。 身為南方人的我們，總以為只有東亞民族吃米。其實稻米也是非洲部分區域的主食，在十七、十八世紀，當非洲住民因為新大陸對勞工的需求，...