老葉的植物王國

1913年的製氨反應器。 圖片來源： 維基百科   哈伯法（Haber process）是由哈伯（Fritz Haber）與他的助理Robert Le Rossignol在1905年發明的。他們使用鐵（Fe）作為催化劑，在高溫高壓下合成了氨（NH 3 ）。當時這個發現有許多重大意義，過去一直以為如氨這樣的化合物只有「有生命」的物種才能合成它，所以能在實驗室製造氨真的是「轟動武林、驚動萬教」的事，而另外一個重大的意義則是從此我們有源源不絕的氮源，可以用來製造肥料，不需要依賴天然氮源如鳥糞等。 不過，哈伯只是在實驗室取得成功，要工業化生產，需要進一步改善合成的方法。哈伯法後來被巴斯夫（BASF SE）買下專利，並委託博施（Carl Bosch）做進一步改善。所以後來哈伯法也常被稱為「哈伯-博施法」（Haber-Bosch Process）。 因為高溫高壓非常消耗能源，所以後來還是不斷地有科學家試圖改善哈伯法。這裡提供一點大家可能都不會注意到的事實：哈伯法每年大約消耗全球能源生產的1-2%，並使用了全球3-5%的天然氣。此外，它還產生了全球1-3%的二氧化碳排放。 其中取得成功的是以銠（元素符號Ru）為催化劑的製程。以銠作為催化劑，能允許反應在更溫和的壓力和溫度條件下運作，因此被視為第二代催化劑。銠基催化劑的活性強烈依賴於載體和促進劑。自1992年以來，銠活化碳基催化劑在KBR高級氨製程（KAAP）中已被工業使用。儘管有一些缺點，例如載體被氫氣轉化為甲烷的風險，但透過對碳載體進行特殊處理可以減緩這一問題，從而延長催化劑壽命。 但是，到底鐵與銠誰比較好？還是各自有長處？最近的一個研究，提供我們一些觀點。 研究團隊利用操作型X射線光電子能譜（XPS）來確定在氨（NH 3 ）生產過程中，鐵和銠催化劑的表面組成狀態。研究團隊發現，無論是平坦或階梯狀的鐵表面，以及銠單晶表面在高達1巴的壓力和723K的溫度下，都保持金屬態，但銠的表面幾乎無吸附物，而鐵催化劑則保留少量吸附的氮並在較低溫度下在階梯狀表面形成高覆蓋率的氨基（NHx）。這些觀察表明，在銠催化劑上，速率限制步驟始終是N 2 的解離；相比之下，在Fe催化劑上，隨著溫度降低，限速步驟從N 2 解離轉變為表面物種的氫化。 另外，研究團隊發現，銠催化劑在623K時達到最高活性，這與催化反應器研究一致。相比之下...

  圖片作者：ChatGPT 鐵（iron, 元素符號Fe）是植物的必需元素之一，雖然不是必需元素中的巨量元素，但是植物對它的需求量其實已經逼近巨量元素了。 由於葉綠素（chlorophyll）的合成需要鐵，所以缺鐵的植物會出現黃化（chlorosis）現象。黃化由葉脈開始，逐漸拓展到葉脈之間，最後整片葉子都變黃。不止是葉綠素需要鐵，粒線體（mitochondria）內的許多蛋白質也是含鐵的蛋白質，鐵對植物是非常重要的！ 鐵在中性及鹼性的土壤中極易沉澱，所以植物很容易缺鐵。為了抓住鐵離子，植物演化出許多策略，包括分泌氫離子使土壤變酸好溶解鐵，合成螯合化合物（chealating agents）與植物鐵載體 （phytosiderophores）來抓住鐵離子、在根表面特化出特殊的細胞來吸收鐵等等。 但是鐵對所有的生物都很重要，土壤中除了植物以外，還有與植物共生的細菌以及其他的細菌等等。那麼，在缺鐵的時候植物如何應對呢？我們之前曾經介紹過，植物會容忍與其共生的微生物，但是在缺鐵的時候，植物是否會轉而與這些小幫手們針鋒相對呢？ 最近美國沙克研究所（The Salk Institute）的研究團隊發表的研究成果，解開了這部分的謎題。 研究團隊使用細菌的鞭毛蛋白flg22來模擬微生物存在。研究團隊發現，在與鞭毛蛋白flg22共同處理後，缺鐵的情況顯著惡化，但在使用非抗原性形式的鞭毛蛋白flg20處理時則未出現這種情況。這顯示flg22可能會在缺鐵時抑制植物根部對鐵的攝取，也就是說，當植物被病菌入侵時，它們會選擇不吸收鐵。 為了驗證這個假設，研究團隊測量了鐵螯合還原酶（ FCR ）的活性和鐵調節運輸蛋白1（ IRT1 ）的表現，它們都是阿拉伯芥中典型的缺鐵反應的一部分成員。缺鐵時若沒有flg22，根中的 FCR 活性會被誘導，而若有flg22， FCR 活性就不會被誘導。同樣地，缺鐵也會誘導 IRT1 ，但有flg22時，即使缺鐵， IRT1 的表現量還是不會上升。總而言之，這些都顯示flg22引發的免疫反應可以抑制缺鐵反應。這也意味著如果在缺鐵的時候有細菌入侵，植物不會提高自己吸收鐵的能力。 既然flg22引發的抑制效果顯著，那麼其他微生物呢？研究團隊測試了來自細菌的elf18，另外還測試了幾丁質和來自真菌的化合物。像flg22一樣，elf1...

  阿拉伯芥。圖片來源：維基百科 鐵（元素符號Fe）對植物是必需元素，許多酵素都含有鐵離子，葉綠素的合成也需要鐵的幫忙。缺鐵的植物會從葉脈開始變黃，逐漸擴大到其他的部分，最後整片葉子都變黃。因為鐵離子很容易在鹼性或中性環境下沉澱，為了有效的吸收鐵，植物根部會分泌氫離子來提高鐵的吸收，也會產生許多運輸蛋白來提高吸收效率。 在植物中， IRON-REGULATED TRANSPORTER1 （ IRT1 ）是鐵的高親和力運輸蛋白，負責將鐵從植物外面運輸到植物體內。最近的研究發現， IRT1 不但負責鐵的運輸，也負責不同器官間鐵的分配。 研究團隊發現，缺少 IRT1 的植株（ irt1 突變株）會把鐵累積在根的皮層，導致莖葉出現缺鐵的症狀。在酵母菌中的測試發現，位於 IRT1 跨膜的第四與第五個螺旋上的兩個胺基酸，絲胺酸206（serine）與組胺酸232（histidine），若發生突變，會造成 IRT1 無法運輸鐵離子；有意思的是，當研究團隊把絲胺酸206突變為丙胺酸（alanine），再將它轉回阿拉伯芥後，這株轉殖植物可以部分拯救缺少 IRT1 所產生的性狀（矮小、葉片變黃、鐵質分布不均勻）。也就是說，不能將鐵運入植物的 IRT1 還是有部分的功能。 參考文獻： Quintana, J., Bernal, M.I., Scholle, M., Holländer-Czytko, H., Nga, N.T., Piotrowski, M., Mendoza-Cózatl, D.G., Haydon, M.J. and Krämer, U. (2021), Root-to-shoot iron partitioning in Arabidopsis requires IRON-REGULATED TRANSPORTER1 (IRT1) protein but not its iron(II) transport function. The Plant Journal. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1111/tpj.15611

  圖片來源：維基百科 鐵是動植物的必需元素，缺鐵在動物會造成貧血，在植物則會影響到光合作用的效率。 最近在番茄的研究發現，植物在照光時鐵的吸收會變好，而這個現象與光敏素B（ PhyB ，phytochrome B）有關。 植物照光後，光會透過光敏素B使 HY5 的表現量上升並累積於葉片與根部。當HY5由莖葉移到根部時，便會活化一個稱為 FER 的轉錄因子（transcription factor），造成與吸收鐵相關的基因表現上升，於是鐵的吸收量就增加了。 研究團隊發現，缺少 phyB 、 hy5 或 fer 的突變株，因為鐵吸收的效率低，造成光合作用的光反應電子傳遞鏈的效率下降。在晚上照紅光，可以讓野生種果實中的鐵含量上升，但是在 phyB 突變株中就沒有這個效果。 參考文獻： The phyB-dependent induction of HY5 promotes iron uptake by systemically activating FER expression Zhixin Guo Jin Xu Yu Wang Chaoyi Hu Kai Shi Jie Zhou Xiaojian Xia Yanhong Zhou Christine H Foyer Jingquan Yu EMBO Reports (2021) e51944.https://doi.org/10.15252/embr.202051944