【2021諾貝爾生醫獎】為什麼會「熱熱的、痛痛的」?人如何感應外在環境刺激?

每個人都曾有在夜半被一陣尿意給「叫」醒的經驗吧!雖然不是什麼愉快的經驗(尤其是在寒冷的冬夜),但卻讓我們免於尿床的尷尬。在碰觸到裝著熱湯、熱茶的容器時,那突然襲來的痛感不只會讓我們迅速縮回手,還會讓我們免於被燙傷並記住下次要更小心!而在我們昏昏欲睡時,只要塗上含有薄荷成分的精油,那清涼的感覺,會讓我們精神為之一振。所有的這些,都與感溫、感觸接受器有關,也拿下今(2021)年諾貝爾生醫獎。來看看為什麼我們能感應到熱、冷、觸?

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從基因體研究來提升植物對氮(nitrogen)利用的效率

為了提升農作物的氮利用效率,中國的研究團隊收集了來自美國農業部的110個不同品系的水稻(包含了粳稻、秈稻、香米等),先以三個指標:分檗數(TRN,tillering response to nitrogen)、每穗穀粒數、穀粒重來分析這些品系的水稻在低氮(每公畝50公斤)、中氮(每公畝150公斤)、高氮(每公畝300公斤)的狀況下,那一個指標的反應比較一致;結果發現,分檗數對氮量的改變的反應比其他兩個指標要一致,於是決定採用分檗數為指標。

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植物在面對不同種類的養分時是怎麼做決定的?

植物可以吸收的氮主要有兩種形式:硝酸根(NO3-)與銨(NH4+)。不同的植物對這兩種化合物各有偏好:水稻比較喜歡銨,而有名的模式植物阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)則比較喜歡硝酸根。最近的研究發現,當阿拉伯芥在只有銨的介質中,它的根會一直長長,生長點的幹細胞數目會減少,但每個根尖的細胞延長的速度會加快;如果這時候改提供硝酸根,接著就會看到生長點變大(幹細胞的數目變多),細胞延長的速度變慢。

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萵苣的粒線體DNA不是環狀

既然動植物都有粒線體,是否植物的粒線體跟動物的一模一樣呢?過去的研究發現,植物粒線體的基因體比動物大了超過動物的十倍、甚至百倍以上。有趣的事情是,雖然大了這麼多,但分析起來,裡面的基因資訊似乎並沒有多多少。為了進一步瞭解植物粒線體的基因體結構,加州大學戴維斯分校的研究團隊針對萵苣(Lactuca sativa)以及兩種野萵苣(L. saligna 與 L. serriola)的粒線體進行定序分析。

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種子植物專屬反應:迅速向下扎根

陸生植物並不僅有開花植物。苔蘚、石松、蕨類與裸子植物也都是陸生植物,它們是否與開花植物有著類似的趨地反應呢?苔蘚並不具有真根(true root),只有類根(rhizoid);石松、蕨類與裸子植物與開花植物一樣都有真根,是否不論有真根與否,都可以對重力產生一樣的反應,還是只有具備有真根的植物,才能對重力作出迅速的反應?抑或是即便具備有真根,也不見得能對重力作出迅速的反應?

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豇豆的基因密碼

豇豆(Vigna unguiculata [L.] Walp.)古稱䜶䝄,俗稱長豆、菜豆、豆角,是豆科豇豆屬一年生草本。豆莢的長度大約是三十到五十公分,也有長達九十公分的長豇豆。在英語中豇豆被俗稱為「牛豆」(cowpea),而長豇豆則俗稱為「蛇豆」(snake bean)。長豇豆可能是因為形狀類似蛇所以被稱為「蛇豆」,但究竟為何豇豆會被稱為「牛豆」則已不可考。「䜶䝄」的古名則是因為豇豆開花後,每朵花一定長出兩個豆莢,所以得到這個稱呼。

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甜杏仁果是怎麼產生的

扁桃在台灣又稱為「杏仁果」,是極為受歡迎的零嘴,但野生扁桃果實常含有苦杏仁苷(amygdalin),不僅會讓果實帶有苦味,還會分解產生致命的氰化物:如果誤食含有苦杏仁苷的野生扁桃,只需要幾十顆就會中毒致死。苦杏仁苷是從野黑櫻醣苷(prunasin)合成而來,不僅是扁桃,同屬於李屬的蘋果、桃子以及做為中藥的杏仁也能合成苦杏仁苷,幾年前風靡全台的「後宮甄嬛傳」裡面的安陵容最後就是吃苦杏仁而死。 

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植物合成化合物來召喚細菌

萜類與酚醛類同屬於植物的次級代謝物(secondary product)。不同的植物產生種類繁多且各異的次級代謝物,這些次級代謝物雖然與生長發育沒有直接的關係,但卻也間接地影響了植物的生活品質:許多植物的次級代謝物都被發現,它們可協助植物防禦外來入侵者。

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發現新的番茄風味基因

許多人發現,番茄真的越來越沒味道;過去的許多研究發現,番茄沒味道主要有兩個原因。第一個因素是品種改良的結果:為提升番茄的賣相,育種專家們就想辦法選育出那些成熟時會整顆紅透的番茄;但是後來發現具有這個性狀(稱為U性狀,意即Uniform Ripening)的蕃茄,因為葉綠素累積減少,使它們在成熟時儲存較少的糖,於是現在的蕃茄都變得比較不甜了。 第二個因素是冷藏:為了避免腐敗、延長保存期限,番茄通常在尚未完熟時便採下冷藏於攝氏五度,並在這個溫度下運送,等要販售之前再回溫到攝氏二十度。

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煙草粉蝨如何流佈

過去的研究發現,與一般的害蟲不同的,煙草粉蝨在感染植物後,並不會啟動茉莉酸途徑,反而是啟動水楊酸途徑。可能是由於水楊酸途徑的啟動,造成植物將有限的資源朝向防禦病害的方向布置,使得防禦蟲害的能力下降,於是讓植物更容易被煙草粉蝨入侵。

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植物白天如何感溫?

因為不會動,植物需要比動物更靈敏地感知環境的變化。過去的許多研究都發現,包括光線、水分、礦物質,植物都可以在感知後短時間內進行因應。對於溫度變化的感應,則直到最近這幾年才比較清楚植物如何感應溫度並作出變化。2016年底,有兩個實驗室同時提出植物的熱傳感器(theromsensor)就是光敏素B(phytochrome B):原來光敏素有兩種構型:其一為具有活性、主要吸收紅外光的Pfr構型,另一則是不具有活性、主要吸收紅光的Pr構型。Pfr構型吸收了紅外光會轉變為Pr構型,而Pr構型吸收了紅光便可轉變為Pfr構型。除了紅光與紅外光可以轉變光敏素的構型以外,Pfr構型還可以慢慢地轉變回Pr構型—這個過程稱為黑暗回復(dark reversion)。

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植物怎麼聞?

■植物沒有鼻子,但是能「聞」到氣味,這點應該沒有多少人—包括學者—質疑過。在丹尼爾‧查莫維茲(Daniel Chamovitz)的大作「植物看得見你」裡面就提到,雖然植物沒有嗅覺神經,但是植物顯然有「接受刺激後感知氣味香臭的能力」,或者更精確的說,植物可以「接收刺激」然後「感知氣味」,這是無庸置疑的。植物可以透過乙烯受器「聞」到乙烯,啟動落葉、落果的程序;雖然有些人會認為乙烯對人來說沒有氣味,不過又有誰說一定要人聞得到的氣味才是氣味呢?

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植物的側根如何「遇水則發」?

植物不會動,所以對外界的刺激更敏感。從達爾文父子開始,科學家們不但知道植物的頂芽對單側光會產生反應,讓它朝向光來的方向彎曲;也知道這部分的反應與生長素(auxin)有關。事實上,不只是植物的頂芽對外界的刺激會產生反應,許多研究也發現植物的根部在接觸到水分時,會往水分較多的一側長出更多的側根(這個反應被稱為hydropatterning)。

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植物界的變色龍

原產於南美洲智利中、南部與阿根廷的藤本植物Boquila trifoliolata,它在攀爬到其他樹上時,葉片的形狀會從原本的長鈍橢圓形三出複葉改變為宿主植物的形狀;甚至當它從一種植物攀爬到另一種植物時,葉片的型態也會跟著改變!這麼神奇的植物,稱呼它為「植物界的變色龍」應該當之無愧;更正確的說,應該可以稱呼它為「植物界的變形者」(shapeshifter)!有趣的是,如果爬上了沒有葉片的樹幹時,它仍會維持原來的葉片形狀。

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蒲公英種子為什麼能飛那麼遠?

■蒲公英的種子究竟能飄多遠?它們為何能飄得那麼遠呢?愛丁堡大學的一群科學家們,對於蒲公英究竟為何能飄得那麼遠發生了興趣(一般大約落在兩公尺的範圍之內,但有些可飄到一公里遠以外的地方),便建造了一個垂直的風洞,來觀察蒲公英種子們在氣流中的表現。

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