老葉的植物王國

  擷取自 《自然》網站 今天是一年的最後一天，來分享一個有點趣味的故事。 故事的開始是，在11月，有一篇論文在討論「氣候變遷影響中國與日本的稻米品質」。 原本其實也沒什麼，畢竟氣候變遷對全世界的農作物的品質都造成影響。 但是，在最近這兩天，卻在《自然》期刊上出現了一篇非常用力的反駁文。 看文章

  圖片來源：維基百科 氨（NH₃，ammonia）排放可以導致空氣和水質污染，促進酸雨的形成，並對生態系統造成傷害，如導致水體優養化。氨在大氣中的作用對氣候變遷和空氣品質有重要影響。氨能與硝酸和硫酸氣體反應形成二次氣溶膠，如硝酸銨和硫酸銨，這些氣溶膠能散射進入的輻射，作為雲凝結核，間接增加雲的壽命，對地球的輻射預算有重要影響。因此，氨對於減少大氣中的細顆粒物（PM2.5）和控制空氣品質具有關鍵作用。 農業氨排放是全球氮循環中的一個重要環節，對環境和人類健康構成了顯著影響。農業活動是全球氨排放的主要來源，約佔全球人為氨排放的85%。這些排放主要來自於肥料的應用和畜牧業管理，包括畜牧房的管理、糞便的儲存和應用[1]。因此，減少農業活動中的氨排放是實現環境可持續性的重要目標之一。 最近美國康乃爾大學的研究團隊，使用機器學習來建立一個系統，希望可以幫助農民降低由農業帶來的氨排放[2]。 為了建立這個機器學習模型，研究團隊首先收集了大量與氨排放相關的農業活動數據，包括肥料使用量、作物種類、耕作方式以及氣候和土壤條件等資訊。接著，他們利用這些數據訓練模型，使其能夠識別不同農業管理措施對氨排放的影響。透過反覆的測試和調整，模型最終能夠準確預測在特定條件下的氨排放量，從而為減少全球氨排放提供了科學依據和具體建議。 研究團隊發現，透過最佳化肥料管理，在不改變總氮肥料投入的情況下，可以將氨排放量減少約38%。此外，未來氣候變遷情境下，預計氨排放量將增加，但精準的肥料管理有潛力抵消這些增加。這項工作為改善氮管理提供了機會，以促進全球農業部門的可持續發展。 希望這個模型能夠快點公開讓大家使用，這樣可以有效降低因種植作物所造成的氨排放，真的是太好了。 參考文獻： [1] European Geoscience Union. Global agricultural ammonia emissions simulated with the ORCHIDEE land surface model. (https://gmd.copernicus.org/articles/16/1053/2023/) [2] Xu, P., Li, G., Zheng, Y. et al. Fertilizer management for global ammonia emission...

  圖片來源：維基百科 隨著全球暖化，許多作物的產量都受到了影響。在主要糧食作物中，發源於安地斯山高地的馬鈴薯可能是影響最大的了！根據一項模擬預測，與目前的產量相比，到了 2050 年，印度 11 月中旬種植的馬鈴薯作物的產量可能會降低約 11％。同樣地，在中國半乾燥的地區，暖化實驗顯示，溫度上升可能導致馬鈴薯產量下降，當溫度上升 1.0-2.0°C 時下降 12.9-13.4%[1]。這些發現意味著，全球暖化可能會對馬鈴薯作物的生長和產量產生不利影響。 最近的一個研究[2]，可能提供了一部分的解決方案。 研究團隊發現，當他們提供馬鈴薯不同劑量的氮肥時，低氮肥（25與125 mg/L）反而可以讓馬鈴薯在第28天時形成了小型的塊莖，而使用較高氮肥（250與500 mg/L）的植株則只有莖蘇（stolons）而沒有塊莖。 當研究團隊使用高溫條件（白天攝氏30度、晚上攝氏28度）時，這些馬鈴薯形成塊莖的時間，相比於控制條件（攝氏21度和攝氏19度）就延遲了。這個現象，在高氮肥時更加惡化。所以，在全球暖化的狀況下，若想多用氮肥來提升馬鈴薯的產量，只會有揠苗助長的反效果。 那要怎樣才能提升馬鈴薯的產量呢？研究團隊發現，如果高量表現 SP6A 這個基因，就可以抵銷因為高溫所帶來的問題。在高溫條件下，經過基因改造以高量表現 SP6A 基因的馬鈴薯植物（ SP6A-OE 植物），即使在添加250或500 mg/L的條件下，其產量也與在正常控制條件下生長的野生型植物相當。這一發現顯示， SP6A 基因的高量表現可以有效地提高馬鈴薯對高溫壓力的耐受性，並且即使在高氮肥條件下也能維持良好的產量表現。 SP6A 是 self-pruning 6A 的簡稱，早期被發現與FT基因相關[3]，但後來發現與塊莖形成有關。其功能包括促進匍匐莖（stolons）向厚實的塊莖的發展，從而增加塊莖數量和產量；促進碳源向地下的塊莖等器官的分配，提高地下器官的碳源強度；調節碳源的分配，使得植物更有效地將碳源分配到發育中的塊莖；參與調控塊莖形成的激活過程，從而增加地下器官的強度。總而言之， SP6A 是馬鈴薯塊莖形成和生長的重要調節因子，有助於提高產量並促進地下器官的發育。 所以，這篇論文發現，雖然 SP6A 並非熱休克基因的一員，但是高量表現 SP6A 基因，就可以抵銷高溫對馬鈴薯的不利...

  圖片來源： 維基百科 最近COP28剛剛簽完協議。令人欣慰的是，大家終於同意可以慢慢（有點太慢）讓化石燃料退場，但是大家大概也心照不宣：升溫1.5度C是跑不掉了。 我們即將面對一個更熱更無常的地球。 面對這樣的世界，究竟會發生什麼事呢？很重要的一件事是，對我們非常重要的森林，能不能繼續幫助我們？過去有許多研究發現，在森林將死亡的時候，它們不但不能固碳，可能還會釋放出更多的二氧化碳，造成氣候的變化更劇烈。這樣的狀況會不會發生呢？ 最近有一群科學家探討氣候變化對森林生態系統的影響，特別是在不同水分和能量可用性下樹木的生長敏感性。研究團隊分析了超過660萬個樹木年輪，使用了一種稱為樹木年輪學（dendrochronology）的技術來研究樹木的生長。這項技術涉及分析樹木的年輪，以了解過去的氣候條件和環境因素如何影響樹木的生長。透過大量的數據收集和分析，他們能夠評估不同條件下樹木對環境變化的反應。這種方法使研究團隊能夠準確地追蹤和解釋過去數百年間樹木生長的歷史和趨勢。 研究團隊通過比較不同地區（濕潤和乾燥地區）樹木的年輪厚度，能夠識別出樹木生長對水分變化的敏感性。研究團隊發現，在濕潤地區生長的樹木在乾旱時期的生長受到更大的影響，相比之下，乾燥地區的樹木對乾旱有更好的適應性。這是因為濕潤地區的樹木較少經歷乾旱，因此對此更為敏感。 研究團隊使用了氣候水平衡方程式，用來描述和計算一個特定地區水分狀態。這些方程式考慮了降水、蒸發、植物蒸散和土壤水分等因素，從而提供了對該地區水文週期的整體理解。氣候水平衡方程式通常用於氣象學、水文學和生態學研究。 具體而言，氣候水平衡方程式通常包含以下元素： 降水（Precipitation）：這是水分進入系統的主要方式，包括雨水和雪水。 蒸發（Evaporation）：水分從地表和水體（如湖泊和河流）蒸發到大氣中。 蒸散（Transpiration）：植物從土壤吸收水分並通過葉片釋放到大氣中的過程。 土壤水分（Soil Moisture）：土壤中的水分含量，影響植物可用水量和地下水補給。 氣候水平衡方程式的核心是平衡這些不同的水分流動。例如，PET（Potential Evapotranspiration）是指在理想條件下（水分供應充足時）植物和土地表面可能失去的水分量。而CWD（Climatic Wa...

  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

  圖片來源： 維基百科 咖啡的愛好者應該都會注意到，隨著氣候變遷，阿拉比卡咖啡將會無法適應未來的天氣。事實上，研究已經證實了，到2050年時會有一半的咖啡莊園無法再生長咖啡；也就是說，屆時咖啡會變得很貴。 對於廣大的咖啡癮者來說，昂貴的咖啡意味著生活必需品被剝奪。不過，最近有個好消息！ 研究人員發現了能適應高溫的狹葉咖啡（ Coffea stenophylla ）。狹葉咖啡原生於西非，過去曾被種植在獅子山與象牙海岸。一度被以為已經絕種了，但最近又在獅子山重新被發現。 在盲測中，有八成的測試者無法喝出狹葉咖啡與阿拉比卡咖啡的不同。而狹葉咖啡可忍受比阿拉比卡咖啡高六度的氣溫，意味著它可以在更高的溫度下生長。 目前世界上最廣為種植的咖啡是阿拉比卡（ C. arabica ）與羅布斯塔（ C. canephora ）。另外也有大果咖啡（ C. liberica ），但很少用來飲用。 參考文獻： Davis, A.P., Mieulet, D., Moat, J. et al. Arabica-like flavour in a heat-tolerant wild coffee species. Nat. Plants 7, 413–418 (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00891-4

  杜蘭小麥。圖片來源： 維基百科 。 氣候變遷造成洪水、乾旱、熱浪等天災出現得更頻繁，也會刺激造成病蟲害病菌與害蟲的繁殖。這些對於糧食生產都會造成重大影響，因為現在種植的作物品系，都是過去培育出來的，而過去並沒有這麼多的天災，病蟲害或許也不那麼劇烈。因此，培育可以耐洪水、乾旱、熱浪、病蟲害等的新品系，就成為當務之急。 但是，過去的這些作物品系，都是從數千年前乃至一萬年前的某一或某些品系雜交培育出來的，如果繼續以它們為父母本，真的能夠培育出具有這些特性的新品系嗎？ 這讓科學家們將眼光轉向這些作物的野生種。這些作物的野生種們原本都是野草，目前有許多仍存在於野外。在沒有人呵護它們的狀況下，這些野草們繼續過著自立自強的生活，是否在這長久的歲月中，又取得了什麼特殊能力呢？或者說，在野草們被人類選擇並育種成為作物的過程中，會不會有些耐天災、抗病蟲的基因也無意識地被選掉了呢？畢竟育種通常只會著眼於少數的性狀，其他沒有著眼的性狀（如耐天災、抗病蟲），就算被篩選掉了也不知道。 因為想要知道從野生種取經是否可行，一個國際的研究團隊選取了杜蘭小麥（ Triticum durum ）的野生種與栽培種進行比對。為什麼選取杜蘭小麥，是因為這種小麥是製作義大利麵的原料。杜蘭小麥蛋白質含量超過13%，為所有小麥品系中最高筋的，在國際市場上的價值也最高。 研究團隊比較了60個不同品系的杜蘭小麥。第一組的20個是來自九個不同國家（包含了澳洲、美洲、歐洲與非洲）的杜蘭小麥品系，第二組的20個則是由國際乾旱地區農業研究中心（ICARDA）開發出來的新品系，第三組的20個則是將杜蘭小麥與野生種雜交後取得的品系。 比較的結果發現，第三組有三分之一的品系可對抗小麥葉枯菌（ Zymoseptoria tritici ，引起麥類葉斑病），但是無法抵抗由 Pyrenophora tritici‐repentis 引起的黃斑病。 而在抗旱與耐熱上，第三組在乾旱的狀況下果實顯著地較其他兩組大，在高溫時的產量比其他兩組要高了42%。而在缺氮的狀況下，第三組表現得也比另外兩組要好得多。 聽起來第三組好像很棒是不是？但是當研究團隊試著用這三組的杜蘭小麥來製作義大利麵時，第三組卻是最不適合製作的。真漏氣。 當然，這個研究只是開始而已，畢竟育種是長期的努力，未來育種專家們應該可以從第三組的杜蘭小麥品系、或從其他與野生種雜...

圖片來源：維基百科。 在IPCC （Intergovernmental Panel on Climate Change）的算法裡，農業產生大量的溫室氣體，所以進行農業對氣候變遷是有害的。同樣的，《溫室氣體議定書》（ The Greenhouse Gas Protocol）也是這麼說。但是農業對氣候變遷真的只有害處沒有好處嗎？ 最近瑞典的林雪坪大學（Linköping University）發表的研究顯示，不論是IPCC或《溫室氣體議定書》，對農業的指控可能不是很公平，因為它們都忽略了農作物會進行光合作用，而光合作用會把二氧化碳轉換為碳水化合物，也就是說，植物們行光合作用時可以減少大氣中的二氧化碳。 以小麥為例，2019年，全球小麥產量為27億噸。這相當於約10億噸碳，而這又相當於38億噸二氧化碳。如果再將其他農作物（如油料作物和甜菜）包括在內，則該數字將更高。 為什麼農作物進行光合作用沒有被計算進去呢？可能是因為接下來人類食用這些農作物以後，會排放二氧化碳吧。 當然，也不是說這麼一來農業對氣候變遷就只有益處沒有害處。植物本身也會釋放一些溫室氣體、施肥時也會有一些溫室氣體釋放，更不要提畜牧業對環境的傷害。這些都需要進一步的研究與創新，來協助農民們降低農業對環境造成的傷害。 但是再怎樣說，我們不可能沒有農業。沒有農業，就養不活這麼多人！ 參考文獻： Per Frankelius. A proposal to rethink agriculture in the climate calculations. Agronomy Journal, 2020; 112 (4): 3216 DOI: 10.1002/agj2.20286

蒙古入侵日本。圖片來源： Wikipedia    十三世紀初（1236年），拔都率領由各系宗王居長者所組成的軍隊（被稱為「長子西征」），大破欽察人、伏爾加保加利亞、基輔羅斯、加利西亞、摩爾達維亞、立陶宛大公國、孛烈兒（波蘭王國）、匈牙利王國、保加利亞第二帝國、波西米亞與捷克、摩拉維亞與斯洛伐克、拉什卡、威尼斯共和國等國，先後擊敗波蘭西里西亞公爵亨利二世所率領的日耳曼-波蘭聯軍（包含了神聖羅馬帝國、波蘭、波西米亞）以及匈牙利國王貝拉四世所率領的匈牙利軍，席捲東歐與中歐，使基輔、布達佩斯等三十個城鎮遭受摧毀與屠殺。這段歷史，被後來的人稱為「黃禍」。 但是，就在蒙古軍企圖繼續進軍威尼斯共和國的達爾馬提亞的時候，忽然率軍東歸，再也沒有入侵過歐洲。究竟為什麼拔都忽然放棄入侵歐洲呢？ 有人說，是因為窩闊台大汗死了，拔都要回去奔喪；而布萊恩‧費根（Brian Fagan）在他的「歷史上的大暖化」裡面，則認為是因為蒙古的乾草原下雨了，雨水使得乾草原上的青草變得茂盛而豐美，於是使他打消了西征的念頭。 當然，牽涉到數萬大軍的長程跋涉，絕不會只因為單一原因就被打消；或許窩闊台大汗的死讓拔都趕著回家捍衛自己的權利，畢竟拔都是朮赤的兒子，而朮赤並不是成吉思汗親生，這是眾所周知的事實；但在大汗駕崩時，趕回去在庫里爾台（宗室大會）上捍衛自己一支的權利是正常的。回家後，乾草原下雨了，豐美的青草長出來，於是大家都不想動，這也是可能的。是否還有其他的原因呢？ 最近的研究報告發現，1242年歐洲匈牙利草原的冬天，或許也把拔都跟他的軍隊們給推回去。研究團隊研究那個時期樹木的年輪發現，1242年的冬天不但冷，而且下了非常多雨。 由於匈牙利草原容易淹水，那麼多雨的氣候下，草原會淹水的可能性很高。蒙古騎兵在淹水的草原上行軍必定大大不易，此時窩闊台大汗的死訊傳來，正好回家休息一下，等帶來春的好天氣。沒想到回家後，家鄉的草原因為下雨而變得適合放牧，不再需要四出征戰牧馬，於是戰事就此平息。再過幾年（1255年），撒因汗（拔都的綽號）駕崩，其他宗室諸王沒有人的軍事才能及於他，蒙古便不再「造訪」歐洲了。 乾燥的天候使得乾草原縮小，也成就了成吉思汗，使得宋朝滅亡；當濕潤的天氣再次回到乾草原時，雖然可能讓匈牙利草原淹水，卻也拯救了歐洲。真也只能說「天有不測風雲」了！ ...