老葉的植物王國

圖片來源： 維基百科 植物在缺水的時候，會分泌離層酸（ABA，abscisic acid）使氣孔關閉。這個過程分為兩階段：第一階段是先釋出儲存在葉片的離層酸讓氣孔馬上關閉，如果缺水的狀況持續下去，植物便會再由根部合成新的離層酸，並將之運輸到葉片，讓氣孔持續關閉。 最近的研究發現，植物在缺水的時候，不只有葉片與根部會分泌離層酸，構成氣孔的保衛細胞（guard cells）會合成γ-氨基丁酸（GABA，γ-Aminobutyric acid）；GABA接著會累積在植物的組織中，而GABA累積的程度也與植物氣孔關閉有關。 GABA的累積會持續到隔天早上。第二天早上組織中GABA的殘留量，決定了第二天氣孔張開的程度：GABA殘留愈多，氣孔張開的程度愈小。也就是說，植物可以透過GABA來「記得」前一天乾旱的程度。研究團隊發現，至少在大豆、大麥與蠶豆中都可以觀察到GABA與乾旱記憶的關係。他們也發現，分泌較多GABA的突變株，對抵禦乾旱的能力比較強。 在動物中，GABA是一種神經傳導物質。植物沒有神經系統，但是植物裡面的確會合成GABA，而這個研究發現了GABA與乾旱相關的「記憶」。 參考文獻： Bo Xu, Yu Long, Xueying Feng, Xujun Zhu, Na Sai, Larissa Chirkova, Annette Betts, Johannes Herrmann, Everard J. Edwards, Mamoru Okamoto, Rainer Hedrich, Matthew Gilliham. GABA signalling modulates stomatal opening to enhance plant water use efficiency and drought resilience. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-21694-3

  trans-Zeatin，細胞分裂素的一種。圖片來源： 維基百科 細胞分裂素（cytokinin）是植物的六大賀爾蒙之一，從名字就可以看出來，它與細胞分裂息息相關。 最早的研究原本不認為植物會產生化合物來刺激自己進行細胞分裂，直到發現了trans-Zeatin後，科學家們才認知到植物也是有這種賀爾蒙的。許多研究都發現，生長素（auxin）與細胞分裂素應該是植物的必須賀爾蒙；因為到目前為止找不到任何突變株完全不能合成或感應這兩個賀爾蒙。 最近的研究發現，細胞分裂素透過一個轉錄因子（transcription factor）MYB3R4來啟動細胞分裂。 MYB3R4平常主要位於細胞質中，當細胞處於G2→M階段時，細胞分裂素分泌，MYB3R4便進入細胞核（同時它的轉錄也上升），啟動正向回饋，讓許多與細胞分裂相關的基因都開始表現，於是細胞開始進行有絲分裂（mitosis）與細胞質分裂（cytokinesis）。 研究團隊為了要證實MYB3R4的確與細胞分裂有關，以基因工程的方法改造了MYB3R4，讓其中的兩個胺基酸（分別為苯丙胺酸與白胺酸）突變為丙胺酸。改造後的MYB3R4只會停留在細胞核內，產生了類似加入細胞分裂素的效果，證實了這個基因的確與細胞分裂有關。 參考文獻： Molecular mechanism of cytokinin-activated cell division in Arabidopsis BY WEIBING YANG, SANDRA CORTIJO, NIKLAS KORSBO, PAWEL ROSZAK, KATHARINA SCHIESSL, ARAM GURZADYAN, RAYMOND WIGHTMAN, HENRIK JÖNSSON, ELLIOT MEYEROWITZ SCIENCE26 MAR 2021 : 1350-1355

  圖片來源： 維基百科 以吸食植物篩管的汁液維生的煙草粉蝨（silverleaf whitefly， Bemisia tabaci ），也稱為銀葉粉蝨，是很常見也很重要的害蟲。因為牠可以吸食超過六百種植物的汁液，對於許多農藥都有抗性，已成為令農夫非常頭痛的害蟲之一。 之前的研究 已經發現，煙草粉蝨可以把十字花科（如白菜、高麗菜等）的植物合成的「芥末油炸彈」中的異硫氰酸酯（isothiocyanate）的前毒素（稱為protoxin）給加上更多的葡萄糖。讓前毒素無法被植物本身的水解酶辨識，於是就不會產生異硫氰酸酯，也就無法殺死煙草粉蝨了；最近的研究更發現，原來煙草粉蝨還從植物偷了一個酵素來中和植物產生的抗蟲次級代謝物「酚類糖苷」（phenolic glycosides）。 這個酵素是一個酚類葡萄糖苷丙二酸轉移酶（phenolic glucoside malonyltransferase）。煙草粉蝨的酚類葡萄糖苷丙二酸轉移酶基因，稱為 BtPMaT1 ，它會產生一個461個胺基酸的蛋白質。序列分析發現，這個基因在其他節肢動物中都找不到，但是植物裡面有它；也就是說，這個基因應該極有可能是從植物平行轉移到煙草粉蝨上的。 過去唯一的跨生物界基因平行轉移是農桿菌（ Agrobacterium tumefaciens ）。煙草粉蝨的例子，是第二例跨界生物平行轉移；而這個轉移無疑地，對煙草粉蝨是有極大好處的。 當研究團隊以干擾RNA技術，將 BtPMaT1 的干擾RNA植入番茄後，吸食過番茄汁液的煙草粉蝨，對植物所產生的酚類糖苷就無法抵禦了，這使得這種轉殖番茄對煙草粉蝨有抵抗力。 基因序列分析顯示，煙草粉蝨應該是從三千五百萬年前就得到了這個基因。可是到底煙草粉蝨是怎麼偷到這個基因的？雖然研究團隊懷疑可能是由病毒帶入，但這個問題可能永遠也不會有答案，不過煙草粉蝨無疑地是很成功的害蟲！ 參考文獻： Jixing Xia, Zhaojiang Guo, Zezhong Yang, Haolin Han, Shaoli Wang, Haifeng Xu, Xin Yang, Fengshan Yang, Qingjun Wu, Wen Xie, Xuguo Zhou, Wannes Dermauw, Ted C.J. Turlings, Youjun Zhang, Whitefl...

  圖片來源：維基百科 豆科植物會與根瘤菌共生，產生根瘤讓根瘤菌住在裡面，幫助豆科植物固氮。但是要形成根瘤，牽涉到非常多的信號來回輸送。如之前我們曾分享過另一篇研究就提到，豆科植物藉由一些信號，來 維持根瘤的數量在一定的數量 上。之前的發現是，細胞分裂素（cytokinin）對根瘤的形成是有抑制作用的。 最近的研究發現，在根瘤形成的早期，細胞分裂素能否成功運輸很重要。一個運輸蛋白ABCG56，會把細胞分裂素運出細胞，若受到干擾則根瘤形成會受到阻礙。 ABCG56表現在根與根瘤中。研究團隊發現，以根瘤菌、結瘤因子（Nod factor）或細胞分裂素處理，都會讓這個基因的轉錄上升，讓它的信息RNA（mRNA）累積於表皮和根的皮層。 所以從這兩個研究看來，似乎細胞分裂素對根瘤形成的影響，在早期是正向的、但是到後期是有抑制作用的（或者可以說，存在著回饋抑制）。但是也要注意這兩個研究是在不同的植物中進行：有抑制作用的研究是在百脈根中進行的，而這次的實驗則是在蒺藜苜蓿中進行的。 參考文獻： Jarzyniak, K., Banasiak, J., Jamruszka, T. et al. Early stages of legume–rhizobia symbiosis are controlled by ABCG-mediated transport of active cytokinins. Nat. Plants (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00873-6

  圖片來源： 維基百科 紫杉狀海門冬（ Asparagopsis taxiformis ）是紅藻的一種，又名「蘆筍藻」，也是夏威夷蓋飯（ poké ）的原料之一。 最近美國加州大學戴維斯分校的研究發現，每天給牛吃80公克（分四次提供）的紫杉狀海門冬，牛隻體重增加的趨勢跟只吃飼料的牛隻是一樣的，但是這些吃海藻的牛隻所排放的甲烷（methane）卻比不吃海藻的少了82%。 牛的甲烷排放，向來都是畜牧業的頭痛問題。在美國，畜牧業的溫室氣體排放占了整體溫室氣體排放的一成，而其中有一半來自反芻動物。反芻動物因為消化系統進行發酵作用，讓牠們得以從食草中取得足夠的養分；但發酵作用中所產生的甲烷透過打嗝與放屁排出，卻成了助長溫室效應的氣體。甲烷是比二氧化碳要強24-30倍的溫室氣體，因此過去有許多研究都在想辦法減少反芻類（尤其是牛）的甲烷排放。 因此，過去有許多團體都呼籲要減少肉食，尤其是吃牛肉。但是地球上的土地也不是都適合耕種，有些區域只能用於畜牧。 研究團隊過去就發現，紫杉狀海門冬含有可以抑制產生甲烷的酵素的成分。他們曾經在2018年嘗試著讓牛吃海藻，達成了降低50%甲烷排放的目標；這次在2020年的試驗，更進一步地讓甲烷排放降低了82%。研究團隊發現這些牛的肉味也沒有改變。 但是要提供海藻給全美國的牛，可能沒有這麼多海藻；另外是，這個實驗是針對吃飼料的牛做的，但如果是放養的牛，要怎麼確定他們能一天四次，每次吃20克的海藻呢？ 記得我在讀賈德‧戴蒙的《大崩壞》時，裡面提到中世紀的格陵蘭農夫會在冬天沒有草料時餵牛吃海藻，但那是一種要維持牛活命所做的不得不的手段，那時候的農人們如果知道餵海藻有這種效果，可能會有點無言吧... 參考文獻： Breanna M. Roque, Marielena Venegas, Robert D. Kinley, Rocky de Nys, Toni L. Duarte, Xiang Yang, Ermias Kebreab. Red seaweed (Asparagopsis taxiformis) supplementation reduces enteric methane by over 80 percent in beef steers. PLOS ONE, 2021; 16 (3): e0247820 DOI: 10.1371/...

  圖片來源： 維基百科 太空站已經20年了！在這20年中，科學家嘗試著在太空站做許多事，當然也包括種菜。最近發現有四種甲基桿菌屬（ Methylobacterium ）細菌，可能可以協助太空植物成長。 科學家怎麼會發現這些細菌的？其實在這20年間，太空站的細菌組成是一直被持續不斷的監測的。這也就是為何這四種甲基桿菌會被發現。 這些細菌是在不同地點、不同時間點被分離出來的。其中有一種為已知菌種，它是羅氏甲基桿菌（ Methylorubrum rhodesianum ）；其他三種甲基桿菌以前沒有發現過，不過從序列分析上可知它們與 M. indicum 最類似。目前研究團隊已經將這三種新發現的甲基桿菌命名為 M. ajmalii 。 由於這些細菌能固氮，所以研究團隊推斷它們應該能幫助植物成長；但是研究團隊也強調，究竟這些甲基桿菌們是不是真的能幫助植物，還需要進一步的分析。 在太空中種植物，本來就不是一件容易的事；畢竟所有的資源都極端有限。但是在這樣的極端環境下種植植物，也可以幫助科學家們瞭解植物更多。如果這些甲基桿菌真的可以協助植物成長，或許可以提升太空作物的產量。 參考文獻： Methylobacterium ajmalii sp. nov., Isolated From the International Space Station . Frontiers in Microbiology.

  來源：C＆EN PDF下載 有些人總認為「天然的尚好」，而商人也常常投其所好地標榜自己的產品是「全天然」「無添加」，好像這樣就有多安全似地... 但其實植物為了要防禦自己，一定會合成一些化合物來攻擊入侵者，而這些對我們也未必是全然無害的！ 如南瓜等瓜類就含有葫蘆素E（cucurbitacin E），不僅會讓瓜類帶有苦味，還會造成噁心、嘔吐、腹瀉； 而菜豆含有植物凝集素（phytohemagglutinin），會造成噁心、嘔吐、腹瀉等反應；不過只要煮熟就可以讓植物凝集素失去活性，也不需要非要用壓力鍋來煮。可千萬不要吃生的菜豆！只要吃五顆就可能會讓你不舒服！ 歐防風（parsnip）含有香柑內酯（Bergapten）與黃嘌呤毒素（xanthotoxin）這兩種呋喃香豆素 （furanocoumarin），會造成皮膚炎，也會讓接觸到它的皮膚在曬到太陽後出現發紅出水泡等反應。 馬鈴薯含有茄鹼（solanine），一般的馬鈴薯含量不高，但發芽或即將發芽已經變綠的馬鈴薯，其茄鹼的含量會上升數十倍，就會對人有毒。 大黃（rhubarb）的葉片含有草酸（oxalic acid）與蒽醌糖苷（anthraquinone glycosides），會造成噁心、嘔吐等反應。 更不要提許多植物都含有有毒的生物鹼，如大名鼎鼎的罌粟就含有嗎啡、煙草含有尼古丁等。這些只要過量都會造成危害。