老葉的植物王國

  胡蘿蔔。圖片來源：維基百科 於十世紀在中亞馴化的胡蘿蔔（carrot， Daucus carota subsp. sativus ）本來是黃色或紫色的。橘色的胡蘿蔔大約在十五世紀初出現在西歐（可能是來自白色與黃色胡蘿蔔雜交），很快地因為類胡蘿蔔素的甜味受到喜愛（雖然有些人也因為這樣的味道而厭惡它）。 到了二十世紀初期，研究者發現橘色的胡蘿蔔有療效，而類胡蘿蔔素（beta-carotene）的名字也是由胡蘿蔔而來。 但是，到底是什麼基因讓胡蘿蔔「爆橘」呢？最近的研究發現，要讓胡蘿蔔變成橘色，竟然需要同時關掉三個基因！ 這三個基因是： REC1 , Or 與 EX1 。 美國的研究團隊，為了了解胡蘿蔔「爆橘」的關鍵，分析、定序了630種胡蘿蔔品系。他們發現，只要這三個基因裡面有一個是開啟的狀態，胡蘿蔔就不是橘色的。當這三個基因同時被關掉時，色素會累積，造成橘色的胡蘿蔔。 由於這三個基因位於不同的染色體上（胡蘿蔔有九對染色體），所以在世界各地可能會有不同光譜的橘色胡蘿蔔出現。科學家們翻閱十七世紀的歷史文獻也發現，在當時有「比較」橘與「比較不橘」（可能沒有完全關掉）的胡蘿蔔。當然最後都是比較橘的胡蘿蔔勝出啦。 參考文獻： Coe, K., Bostan, H., Rolling, W. et al. Population genomics identifies genetic signatures of carrot domestication and improvement and uncovers the origin of high-carotenoid orange carrots. Nat. Plants (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01526-6

  圖片來源： Cell 植物在生長的時候，除了要努力獲取光源，也要扎根在土壤裡吸取水分與養分。因此，除了要能感應光以外，植物也要能找到土地來扎根。所以不只是幫助植物獲取光源的趨光性（phototropism）很重要，能夠讓植物找到土地的趨地性（gravitropism）也非常重要。植物的莖需要有負趨地性，才能往遠離地面的方向生長；而植物的根一定要有正趨地性，才能深深地扎根在土壤中。 在1900年，植物學家G.Haberlandt和E.Nemee提出了「澱粉-平衡石假說」（starch-statolith hypothesis），認為在植物的根冠與頂芽有一些所謂的「平衡石細胞」（statocyte）內含有澱粉體（amyloplast），是這些澱粉體落在植物細胞的近地端，從而啟動了植物對重力的反應。而澱粉體會造成植物根尖與頂芽的生長素（auxin）分佈不均，使得植物向地生長（即所謂Cholodny-Went 理論）。 後續的一些研究也發現，當澱粉體產生受阻的時候，植物的趨地反應會變慢；而澱粉體若沈澱速度加快，則植物的趨地反應會變快。 最近的研究發現，一群稱做「懶惰」（LAZY）的基因與植物的趨地性有關。這些基因在1930年代首先從玉米中發現，因為莖總是躺在地上，所以被命名為「懶惰」。科學家發現，重力的刺激會使得一類的蛋白質激酶（protein kinase）MKK5-MPK3將LAZY蛋白磷酸化，然後這個磷酸化的LAZY蛋白藉由與TOC蛋白互動，聚集在澱粉體的表面上。 接著LAZY蛋白會轉移到附近的內質網上，這使得生長素的分佈開始出現不均勻的狀況，然後植物就開始出現趨地反應。 這個發現，進一步證明了「澱粉-平衡石假說」，也支持了「Cholodny-Went 理論」。 參考文獻： Chen J, Yu R, Li N, Deng Z, Zhang X, Zhao Y, Qu C, Yuan Y, Pan Z, Zhou Y, Li K, Wang J, Chen Z, Wang X, Wang X, He SN, Dong J, Deng XW, Chen H. Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants. Cell. 2023 Sep 20:S0...

  圖片來源：Nature 生物面對瞬息萬變的環境，必須要能夠適時地改變基因的表現，才能讓自己的物種持續生存下去。 最近杜克大學（Duke University）的研究團隊發現，阿拉伯芥（ Arabidopsis thaliana ）的基因體會在受到病害攻擊時，從表現同一條DNA上游的基因轉到下游的基因。 到底是怎麼達成的呢？原來這段DNA上面有兩個啟動密碼（AUG），在上游的啟動密碼不遠處，有一段序列會折疊形成髮夾狀的二級結構（hairpin）。這個髮夾會讓在信息RNA上掃描啟動密碼的核糖體（ribosome）掃描的動作慢下來，於是就讀到第一個啟動密碼，製造蛋白質。 當病害入侵植物時，植物會合成一個解旋酶（helicase），把髮夾打開；這使得核糖體能夠快速掃描這段RNA，於是就錯過第一個起始密碼，從第二個起始密碼開始轉譯，生成負責抵抗病害的蛋白質了。 因為研究團隊正在申請專利，所以到底這兩個基因是誰跟誰，版主看不到，請大家諒解。 參考文獻： Yezi Xiang, Wenze Huang, Lianmei Tan, Tianyuan Chen, Yang He, Patrick S. Irving, Kevin M. Weeks, Qiangfeng Cliff Zhang, Xinnian Dong. Pervasive downstream RNA hairpins dynamically dictate start-codon selection. Nature, 2023; 621 (7978): 423 DOI: 10.1038/s41586-023-06500-y

  圓葉菸草。圖片來源：維基百科 今年年初，一篇關於植物會「叫」的文章引起了許多人的注意，但是有沒有可能與植物交談呢？ 最近的一篇研究，或許提供了這個可能性。只是，他們不是用「講」的，是用不同顏色的光來給植物信號。 這件事情說來容易做來難，最主要的原因是因為植物是光和自營生物，光的強弱與光的顏色對植物來說本來就很要緊，所以植物都有內建一群光受器（photoreceptor），對各種不同顏色的光線進行反應：如感應紅光與紅外光的光敏素（phytochrome）、感應藍光與紫外光的隱花色素（cryptochrome）、感應藍光的向光素（phototropin）以及感應短波紫外光的UVR8。 這群英國的科學家們，為了要繞過這些已經存在的植物光感應系統，找了美國加州大學戴維斯分校的Clark Lagarias老師合作。 Lagarias老師建議用原生生物的CcaS-CcaR系統，這個系統是「紅燈停，綠燈行」，由於高等植物並不需要綠光，也不感應綠光，所以這樣就可以不啟動植物原有光感應系統，達成與植物交談的目的了。 有趣的是，在把這個新系統植物圓葉菸草後，卻發現藍光居然也可以關閉這個系統！進一步分析後發現，原來CcaS這個基因含有與向光素有相似性的序列，而他們的實驗無意中啟動了這部份。 他們把這個新系統稱為Highlighter系統。這個系統可被白光、綠光啟動，無光的時候也有活性，藍光則可以把它關閉。奇妙的是，紅光竟然也可以啟動它。不管怎麼說，科學家們已經啟動了與植物「談談」的第一步，接下來就要繼續努力，看看能不能直接告訴植物更多信息，而植物也都能成功收到了。 參考文獻： Bo Larsen, Roberto Hofmann, Ines S. Camacho, Richard W. Clarke, J Clark Lagarias, Alex R. Jones, Alexander M. Jones. Highlighter: An optogenetic system for high-resolution gene expression control in plants. PLOS Biology, 2023; 21 (9): e3002303 DOI: 10.1371/journal.pbio.3002303

  天麻。圖片來源： 維基百科 如果要選一類的植物最懂得「騙」，大概就一定是蘭花了。蘭花為了要吸引昆蟲上門幫忙授粉，可說是用盡了各種手段：有些會發出「人味」，有些會模仿交配的對象，而天麻屬（ Gastrodia ）的蘭花們也不例外：它們之下有20種左右，分佈於東亞、馬來西亞與大洋洲。這屬的蘭花是所謂的「腐生蘭」，也就是它們是寄生在其他的生物上（天麻屬的寄主是真菌）。 其中有一種天麻屬的蘭花， Gastrodia foetida ，吸引了研究者的關注。它有什麼特別之處呢？神戶大學的科學家注意到，它的花瓣是肉質的，且在授粉後幾天就會掉落。於是他開始觀察這種蘭花，與它的授粉者（果蠅）之間的關係。 結果發現：其他的蘭花都只是「騙」昆蟲過來授粉，然後就掰掰了，沒有給昆蟲任何好處；但是這種蘭花，果蠅真的會在它的花瓣上產卵，且幼蟲會吃花瓣，還能長大蛻變成蠅！也就是說，果蠅是真的從這種蘭花身上得到了好處，完全沒有白忙一場。 參考文獻： Kenji Suetsugu. A novel nursery pollination system between a mycoheterotrophic orchid and mushroom‐feeding flies. Ecology, 2023; DOI: 10.1002/ecy.4152

  大丁黃。 圖片來源 雙翅目（Diptera）的昆蟲包括了蚊、蠅、蚊滋（fungus gnat，眼蕈蚊總科昆蟲的總稱），向來都被當成有害的昆蟲，大家恨不得把它們全部消滅。可是這些昆蟲蠻多也是重要的授粉者，比方說蒼蠅會幫芒果授粉，而北方小澤蘭也靠 蚊子幫忙授粉 ，並因此演化出了發出「人味」的機制。 最近（2023）日本的研究發現，蚊滋也是重要的授粉者。他們偏愛衛矛屬（ Euonymus ）的中開紅花並發出類似優格氣味的花的種類。 研究者觀察了美國、日本與台灣共十一種衛矛屬植物，其中有五種開紅色的花，六種開白色、淺綠色、黃綠色的花。他們分析所有造訪這些植物的昆蟲身上的花粉，分析這些花粉屬於什麼種類的植物。 結果發現：蚊滋特別喜歡紅色的花！由於蚊滋其實看不到紅色，所以研究者又做了許多分析，發現蚊滋真的是偏愛紅色的花。而氣味的分析也顯示了，蚊滋喜歡發出優格氣味的花。 更有意思的是，研究者發現如大丁黃（ Euonymus laxiflorus ）這種植物，幾乎是完全靠蚊滋授粉，且他們也呈現了所謂的「授粉者症候群」（pollinator syndrome），也就是發展出了完全適應其授粉者的性狀。大丁黃開紅色的花、發出優格的氣味，且具有短短的雄蕊，這些都是為了蚊滋發展出來的。 生態系是很複雜的，我們討厭的雙翅目，對許多植物卻很重要呢！ 參考文獻： Ko Mochizuki, Tomoko Okamoto, Kai-Hsiu Chen, Chun-Neng Wang, Matthew Evans, Andrea T Kramer, Atsushi Kawakita. Adaptation to pollination by fungus gnats underlies the evolution of pollination syndrome in the genus Euonymus. Annals of Botany, 2023; DOI: 10.1093/aob/mcad081

  圖片來源： 維基百科 捕蠅草（Venus flytrap， Dionaea muscipula ）我們已經介紹過很多次了，相信大家都不陌生；這次我們要介紹的是它捕蟲以外的特殊技能：感熱。 捕蠅草為什麼要感熱呢？在它的原生地（美國卡羅萊納州），捕蠅草主要生長在沼澤裡。沼澤裡除了捕蠅草，還有很多其他的植物，而這些植物常常會長得很高，蓋過捕蠅草，讓捕蠅草無法取得它需要的養分：小蟲。 但是科學家觀察到，在這些地方有時會因為雷擊或其他因素，引起森林火災；這時候很神奇的是，捕蠅草可以熬過火災，浴火重生。火災後其他的植物都被燒光了，剩下捕蠅草獨領風騷。 到底捕蠅草是怎麼熬過火災的？科學家發現，捕蠅草在溫度上升時會關起它的變形葉。等火災過去兩三天，變形葉又會重新打開捕蟲。 科學家們便做了一個測試。他們模仿捕蠅草的原生地，在捕蠅草上面放上乾草，點然後以電風扇從不同角度吹它。結果發現捕蠅草的變形葉都關閉了，而在「火災」後大約一週，部份的捕蠅草重新「開張」捕蟲。 接著科學家用點燃的火柴來測試，發現捕蠅草在火柴接近時很快的就關閉變形葉了。 不論是點燃的火柴或是人工火災，要在實驗室裡弄這些總是令人不放心！於是科學家們改用吹熱風（這也比較容易控制）的方法來測試捕蠅草。 一開始他們讓溫度在四秒內從攝氏20度上升到74度。結果捕蠅草的變形葉當然很快就關閉了。科學家發現，當溫度上升超過攝氏28度時，捕蠅草會產生兩個動作電位（AP），而這兩個動作電位相隔僅有一秒。移除熱源後24-72小時，捕蠅草又重新「開張」。 接著科學家進行更詳細的測試，讓溫度上升得慢些，看看捕蠅草的反應是否有變化。測試的結果發現，當溫度低於攝氏25度時，不會有任何動作電位的產生；而溫度上升到攝氏43度時，所有的變形葉都發出了動作電位。動力學分析顯示，一半的變形葉關閉的溫度為攝氏37.9度。 過去的研究發現，要先有細胞質的鈣離子濃度上升，接著才會有動作電位的發生。研究團隊的測試也發現，溫度超過攝氏38度時，細胞內的鈣離子濃度的確會先上升，接著才會出現動作電位。 接著科學家想知道，溫度上升的速度快慢，是否也有影響呢？測試的結果發現，當每秒僅上升攝氏0.25度時，不會引發任何動作電位，變形葉也不會關閉。若每秒上升攝氏2.5度時，所有的變形葉都關閉，動作電位也都產生。如果放慢到每秒上升攝氏1.2度，則有半數的變形葉產生了動作電...