老葉的植物王國

  棉花的根。圖片來源： 維基百科 。 陸生植物與真菌的共生關係可以回溯到陸生植物剛剛出現在陸地上的那時候：在數億年前（約是石炭紀與二疊紀），當裸蕨初初成為陸地生物的一員時，由於不具備有發達的根系，使得養分與水分的吸收成為大問題；而這時候，真菌便已經開始與陸生植物的根形成了共生關係。 這雙人舞發展到現在，已知有九成的陸生植物的根與共生真菌（arbuscular mycorrhiza）建立互惠互利、和平共存的共生關係。過去的研究發現，這些共生真菌會協助植物吸收磷，而植物提供它們養分。這共生關係尤其在土壤中磷不足的時候更為重要，而當土壤中已有足夠的磷時，植物與共生真菌之間的關係便不會那麼緊密。 但是共生真菌與植物之間，真的只有磷的交換嗎？過去有些間接的證據發現，植物與共生真菌之間可能也會進行氮的交換。為了要瞭解這是否為真，美國德州科技大學（Texas Tech University）的研究團隊，餵給真菌放射線氮標定的養分，觀察真菌如何吸收這些氮素並傳遞給植物。 研究團隊還找到了水稻與共生真菌合作的基因：NPF4.5。他們發現，當NPF4.5被去活化時，水稻經由共生真菌吸收氮的能力明顯下降。將此基因轉入水稻，讓水稻高量表現它，會使得水稻吸收氮的能力提升，產量也增加了。 研究團隊希望未來能瞭解真菌到底是如何活化NPF4.5基因的表現，也打算將高量表現NPF4.5的水稻移到田間測試，看看產量是否也一樣會增加。 參考文獻： Shuangshuang Wang, Aiqun Chen, Kun Xie, Xiaofeng Yang, Zhenzhen Luo, Jiadong Chen, Dechao Zeng, Yuhan Ren, Congfan Yang, Lingxiao Wang, Huimin Feng, Damar Lizbeth López-Arredondo, Luis Rafael Herrera-Estrella, Guohua Xu. Functional analysis of the OsNPF4.5 nitrate transporter reveals a conserved mycorrhizal pathway of nitrogen acquisition in plants. Proceedings of the National ...

內生菌根。圖片來源：維基百科 農作物長得不好可能是缺氮或缺磷。但很糟糕的是，由於土壤顆粒為帶負電的矽酸鋁，而氮與磷也是帶負電的硝酸根與磷酸根，造成所施放的氮肥、磷肥多半都無法留存在土壤中。根據丹麥的研究，施放的磷肥有70%都流失，植物只利用到30%。若是平常家裡種幾盆花，可以用少量多餐的方式來進行灌溉以減少肥料的浪費，但農業上卻無法這樣進行施肥（太費人工了）。 植物吸取礦物質的器官就是根部。根部除了利用根毛來作為主要吸取水分與礦物質的組織，也會與周遭的共生真菌合作，提昇自己吸收礦物質與水分的能力。這些真菌主要分為兩大類：菌根共生體（arbuscular mcorrhiza，AM）與外生菌根（ectomycorrhizae，ECM）。其中菌根共生體因為與植物的根部有更為密切的接觸，重要性比外生菌根更高。 最近丹麥的哥本哈根大學的研究發現，一個稱為CLE53的多肽為形成菌根共生體所必須。這個多肽會抑制菌根共生體的形成，另外兩個基因SUNN與RDN1也不可或缺。缺乏CLE53的植物（cle53突變株）會有更多的菌根共生體形成。 有意思的是，研究團隊發現土壤中缺少磷的時候，CLE53的表現也會被抑制。這意味著植物在缺磷的時候，會藉由抑制CLE53的表現來讓菌根共生體增加，以提昇自己吸收磷的能力。 研究團隊希望以基因編輯的方式來剔除CLE53，這樣可以產生能與菌根共生體有更多連結的植物，或許可藉此提升植物吸收磷的能力。不過基改植物目前在歐洲仍然不能種植，所以要真的把這個技術應用到農業上也有困難。不知道是否可藉由提供植物共生真菌的孢子，來提升植物吸收磷肥（與其他礦物質）的能力呢？ 參考文獻： Thomas C de Bang, Patrick X Zhao, Xinbin Dai, Kirankumar S Mysore, Jiangqi Wen, Gonzalo Sancho Blanco, Katrine Gram Landerslev, Clarissa Boschiero, Magda Karlo. The CLE53-SUNN genetic pathway negatively regulates arbuscular mycorrhiza root colonization in Medicago truncatula. Journ...

亞麻的菌根共生體。圖片來源： 維基百科 菌根（mycorrhizae）是與植物根部共生的真菌，約有94%的植物根部都可以找到它（剩下的6%是水生植物）。有些菌根會把菌絲伸入植物的根細胞中形成菌根共生體（arbuscular mycorrhizae，簡稱AM），有些菌根則只會包覆在植物根的外圍，形成外生菌根（ectomycorrhizae，ECM）。這些真菌協助植物吸收水分與礦物質，從植物那裡得到光合作用所產生的醣類，對植物的生長與養分的循環有很大的貢獻。 過去的研究發現，菌根共生體多半都與沙漠、草原、灌木以及熱帶森林的植物在一起，外生菌根則常見於溫帶與寒帶森林。但是，是什麼決定哪些植物要跟外生菌根共生，哪些植物則只會跟菌根共生體共生呢？ 歐洲的研究團隊比較了將近四百種植物的基因體，發現能與真菌形成菌根共生體的植物都具備有三個基因，這三個基因分別是 RAD1 、 STR 、 STR2 。研究團隊認為，或許與外生菌根形成共生關係的植物所在的環境養分較充足，所以他們不需要與真菌形成那麼緊密的共生關係。 RAD1 是個GRAS家族的轉錄因子（transcription factor），缺少 RAD1 的植物會讓真菌與植物之間的互動發生障礙，同時 STR 與 STR2 的表現也會下降。 STR 與 STR2 是ABC運輸蛋白，對於形成有功能的菌根共生體非常重要，過去也有研究發現它們可能跟脂肪從植物到真菌的運輸有關。 參考文獻： Guru V. Radhakrishnan, Jean Keller, Melanie K. Rich, Tatiana Vernié, Duchesse L. Mbadinga Mbadinga, Nicolas Vigneron, Ludovic Cottret, Hélène San Clemente, Cyril Libourel, Jitender Cheema, Anna-Malin Linde, D. Magnus Eklund, Shifeng Cheng, Gane K. S. Wong, Ulf Lagercrantz, Fay-Wei Li, Giles E. D. Oldroyd, Pierre-Marc Delaux. An ancestral signalling pathway is cons...

櫸木有外生菌根。圖片來源： Wiki 對於溫室效應（Greenhouse Effect）大家都耳熟能詳了，也知道是因為大氣中因為人類活動所產生的溫室氣體越來越多，這些氣體把太陽與地球所產生的輻射能量留在大氣層裡面，使地球表面的溫度提高。 溫室氣體（greenhouse gases）包括了水蒸氣（H 2 O）、二氧化碳（CO 2 ）、甲烷（CH 4 ）、一氧化二氮（N 2 O）、臭氧（O 3 ）與氯氟碳化物（CFCs，Chlorofluorocarbons），不過最主要的還是二氧化碳。慢著！二氧化碳不也是植物光合作用的原料之一嗎？那麼說起來，當大氣中的二氧化碳濃度提高，就代表植物會有更多的原料可以進行光合作用，所以...溫室效應所帶來的二氧化碳濃度上昇，應該會造成植物長得更好，所以溫室效應也不全是壞的囉？ 理論上雖然是這樣，不過在實驗中卻發現不見得是這樣喔！有些植物的確長得更好，但效果並不持續；有些卻完全沒有長得更好。雖然有人認為可能是因為氮素不足，但在有些實驗裡又發現好像氮沒有那麼重要；至於植物的年齡與種類、水分、溫度、甚至添加二氧化碳的技術，雖然都可能有影響，卻又無法解釋不同實驗的結果。 到底是什麼影響到植物對二氧化碳所產生的反應呢？由歐洲與美國所組成的研究團隊，想到了菌根（mycorrhiza）。菌根是與植物根部共生的真菌，約有94%的植物根部都可以找到它（剩下的6%是水生植物）。有些菌根會把菌絲伸入植物的根細胞中形成菌根共生體（arbuscular mycorrhizae，簡稱AM），有些菌根則只會包覆在植物根的外圍，形成外生菌根（ectomycorrhizae，ECM）。這些真菌協助植物吸收水分與礦物質，從植物那裡得到光合作用所產生的醣類，對植物的生長與養分的循環有很大的貢獻。 但是外生菌根與菌根共生體與植物之間的互動其實不盡相同。過去的研究發現，外生菌根非常的講義氣，不管土壤裡面的養分（尤其是氮素）充足與否，外生菌根會一直與植物維持共生關係；相對的，菌根共生體雖然名為共生體，但是當土壤養分不足時，有些菌根共生體會轉為寄生（OS：那...還叫共生體嗎？）。而它們的分佈也不相同：菌根共生體多半都與沙漠、草原、灌木以及熱帶森林的植物在一起，外生菌根則常見於溫帶與寒帶森林。所以，會不會之前的許多實驗，其實都受到菌根種類的影響呢？ 為了了...