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不只動物,植物可能也具有學習能力?

活躍星系核_96
・2017/05/04 ・1630字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

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文/林孟均|行政院農業委員會苗栗區農業改良場副研究員

我們常覺得植物是種沒腦的生物,它們無法思考,更別說是學習了。但真的是這樣嗎?

西澳大學(The University of Western Australia, UWA)的研究團隊發現植物可能也有學習力!植物受到訓練可以學習事件間的關聯,並透過觀察環境的變化,出現類似動物的記憶及覓食等行為,這項研究 2016 年發表於著名的《科學報導》(Scientific Reports)期刊,受到國際植物學家的關注。

小豌豆想多「吃」點光,就去找風吧!

光線是植物生存的要素之一,植物運用光行光合作用製造養分,因此光線被視為是植物的糧食,西澳大學副教授 Monica Gagliano 偕同牛津及蘇黎世大學研究人員組成的研究團隊,想要了解植物是否可以透過訓練學習,並對於光線出現「覓食」行為?

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將豌豆栽培於 Y 型迷宮中,在訓練期間先以風扇吹拂一段時間後,再照藍光(植物所需的光),建立豌豆對於風吹與藍光的聯想學習;接著在測試階段,僅以風扇在 Y 型迷宮的某一端吹拂,受訓的豌豆就像知道該方向比較容易出現光源般,會在黑暗的迷宮中傾向朝有風扇吹拂的方向生長,而未受訓練的豌豆則不會對風扇有特殊的偏好行為。

研究團隊認為這種現象就像豌豆具有覓食的行為,能透過訓練來記憶並建立事件間的特定聯結,「聯想」並朝著可能有糧食的方向生長。

科學家發現豌豆能透過訓練來「聯想」並朝著可能有糧食的方向生長。圖/By qtree @ pixabay, CC0 Public Domain

研究團隊更進一步調整訓練時間,先建立植物的生理時鐘一段時間,接著在植物認定是白天或夜間的時間,分別進行藍光與風扇的聯結學習,發現植物的學習行為會受到生理時鐘影響,僅有在白天接受訓練的植物會有聯結學習力,出現朝向風吹方向生長的覓食行為,夜間受訓的豌豆均不會出現聯結學習反應。

掌握制約實驗,讓你稱霸動/植物界

Gagliano 教授表示,他們的研究靈感來自於著名的巴夫洛夫古典制約試驗[註 1],狗可以透過訓練建立食物及鈴聲的聯結關係,在聽到鈴聲就聯想到食物,並出現流口水的行為。而他們的研究也發現相似的結果,豌豆也會學習光線及風吹的關係,感受到風吹而出現覓食行為。

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過去的研究指出植物朝向光線處生長的向光性現象,是受到植物賀爾蒙──生長素(auxin)含量高低影響細胞生長大小的被動變化,這項研究卻顛覆這項理論,植物可透過學習,主動出現促進光合作用的覓食行為。

Gagliano 教授表示,動物有大腦可以用來記憶或學習,植物則可能是利用類似神經網絡(neural networks)的組織來進行記憶及學習能力的建構。

過去的研究指出植物朝向光線處生長的向光性現象,是受到植物賀爾蒙-生長素含量高低影響細胞生長大小的被動變化,這項研究卻顛覆這項理論,植物可透過學習,主動出現促進光合作用的覓食行為。圖/By MacKhayman, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

有趣的是主導這項研究的 Gagliano 教授過去是研究熱帶魚生態的專家,或許是這個原因,讓研究團隊可以發現植物這個激似動物的學習力大發現!

Gagliano 也表示:植物學習力的發現,警示我們應該更加重視環境的破壞問題,因為這些破壞可能會加速植物朝著有利於生存的目標繁衍,並大大改變未來的環境生態樣貌,而植物是否有其他動物般的行為模式?也等著我們繼續深入的探索與發現!

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  • 註 1:「巴夫洛夫古典制約試驗」:巴夫洛夫為俄羅斯生理學家,他觀察狗看到食物會分泌唾液,運用食物加上搖鈴聲來刺激狗分泌唾液,達到聯想學習訓練。爾後被訓練過的狗只要聽到搖鈴聲就會分泌唾液,對於狗的學習與記憶做出了詮釋,此項研究被視為古典制約理論的先驅。巴夫洛夫並在 1904 年因為對消化系統的研究得到諾貝爾醫學獎。

參考資料:

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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一鍵生成心智圖?統整文章、製作簡報、學習知識!三款 AI 保母級教學!
泛科學院_96
・2024/03/04 ・4383字 ・閱讀時間約 9 分鐘

真的假的,只要有它,再難的事都能秒懂?

它就是 AI 心智圖工具,只要一句話,一個關鍵字,就能生成一張完整的知識架構圖。

無論是聽不懂老師在講什麼的學生,還是被老闆交辦沒聽過的工作,只要把聽不懂的詞丟進去,噠啦~瞬間一目了然!

而且這些 AI 心智圖工具,也能直接把生成的圖表或段落變成一頁簡報,真的非常方便!

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今天,我將介紹 Whimsical 、 Xmind 和 MyMap 這三個 AI 心智圖工具,其中 Whimsical 是免費的,Xmind 跟 MyMap 這個 AI 功能要額外付費,但我自己實測的感覺非常好,因此也推薦給大家。

廢話不多說,讓我們開始吧!

Whimsical

Whimsical 對 APP 開發者可能並不陌生,是集結流程圖、心智圖、 APP 原型圖的線上工具,現在有加入 AI,不僅可以更快速地整理內容,甚至能無中生有。雖然一個帳號只能免費使用 AI 100 次,再多就要付費,但我用到現在也還沒用完。

先從快速整理內容來吧,我這邊用泛科學這篇文章當範例,複製文章內容跟他說

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請幫我把下面的內容,整理成心智圖

暗能量是什麼?看不到也摸不著,我們該如何找到它?

這樣文章的大綱就在你面前了,如果對某些主題有興趣,就可以用心智圖上的關鍵字去 google 搜尋。

接下來,就輪到無中生有啦!這次我什麼都沒有給他,直接輸入

請給我核融合的基礎知識架構心智圖

這樣 Whimsical 就會給你核融合的知識架構圖啦。

你看,是不是很簡單呢?

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如果想要把這張心智圖做成簡報,你只要選擇 Section 把它框起來,

就能在右邊的 Present 欄位上面,看到新的 Section,這時按下撥放,就會是一張剪報嘍。

作為流程圖與心智圖工具的 Whimsical 本來就很容易上手,加上 AI 就變得更無腦了,你甚至可以讓 Whimsical + AI 做完所有內容,再自己再微調版面,框選 Section,就有一份出色的簡報啦!

不過還是要說一下,Whimsical 的 AI 找得資料有點少,可能連學校作業的需求都無法應付,如果真的要瞬間秒懂所有事情,你可能要試試看 Xmind 或 MyMap 。

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Xmind

先來說說 Xmind ,這款工具稱得上是臺灣最知名的心智圖工具了吧?像是創意思考或人生整理術之類的課程,都經常能見到 Xmind 的身影。現在加上 AI 之後,真的創造了天下沒有難學的知識,一個關鍵字,一張心智圖,順著心智圖學習,沒什麼事難得倒你。

這邊我想要提醒大家, Xmind 跟 Xmind AI 是兩個獨立的產品線,傳統的紅色的圖示 Xmind 包含桌面版程式與手機 APP , Pro 專業版的售價是每三個月 16 美金, Xmind AI 是新推出的產品,圖示改成紫色,專業版費用是每個月 8 美金,兩者並不互通,重要的事說三次,兩者不互通,兩者不互通,今天分享的是紫色的 Xmind AI 線上平台,不要跑錯家哟。

回到正題, Xmind 的 AI 稱為 Copilot ,只要跟 Copilot 說出你聽不懂的關鍵字,它就會用心智圖幫你解答,為什麼只要關鍵字呢?這邊來做個示範,跟前面 Whimsical 一樣,輸入

請給我核融合的基礎知識架構心智圖

然後再輸入

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核融合的知識架構

最後只給 Copilot

核融合

這三個關鍵字。

好像字越少,內容越豐富?推測是 Copilot 會直接把輸入內容當成搜尋詞彙,因此訊息越多,限制越大。在用 Copilot 時,我都盡量給簡單的關鍵字,等它完成比較豐富的心智圖後,再對心智圖中的單一項目進行 AI 生成。

沒錯,這就是 Xmind 好用的地方了,無論是你自己畫心智圖遇到瓶頸,還是剛剛 AI 生成的心智圖有不完整的地方,只要點有問題的項目,再點選畫面下方的 Copilot ,就能再生成後續內容啦!

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Xmind 也支援心智圖直接轉簡報的功能,每個項目就是一頁簡報,會依照簡報架構播放簡報。

如果要放說明文字在簡報上,你可以點項目後按下面的 note 輸入文字,

也可以在 local image 上傳你要的圖片,就會在該張簡報呈現這些內容。

雖然 Xmind 不能把簡報弄得美美的,但 Xmind 支援將心智圖下載成 .md 或 .ppt 等檔案格式,之後就可以套入之前介紹過的 gamma 或其他人做好的 template ,一份有結構、漂亮的簡報就完成啦!

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MyMap

最後介紹的 MyMap ,不是 google 那個 MyMap ,是 MyMap AI ,這個 A 編用完之後直接在工作群組裡面大喊:「這東西真是太好用了阿!」的一個工具。

一進入 MyMap 介面,基本上看不到任何工具欄或 icon ,只有跟 AI 的對話框,沒錯,這才是我想要的 AI 工具! 什麼複雜操作都不用,只要跟 AI 說話,工作就完成啦!

能有這麼狂的介面,也就表示 MyMap 對自己的 AI 功能很有信心,實際用過真的,沒跟你五四三,用得過程中完全不需要找工具欄,資料與內容整理都非常到位!

跟 Whimsical 類似,MyMap 支援多種資料呈現方式,你也不需要知道有什麼呈現方式,在問它問題的時候,它就會解析你想要的內容可能適合什麼形式的呈現,如果有多種呈現方式適合,它還會問你要用什麼形式呈現。

如果你想要用已有的文件或內容做心智圖或其他圖表,你只要按下對話框旁邊的加號,就會跳出上傳檔案或輸入網址的對話框,上傳或輸入網址之後,他就會出現即時預覽的視窗,接著,就可以跟檔案對話了。

像我給它前面泛科學黑洞文章的網址,這時候只要跟他說

幫我整理這個網頁的內容重點

MyMap 不囉嗦,直接給我一個完整的內容重點整理。

用到現在,MyMap 的唯一缺點是拖曳畫面很不直覺,以及它非常非常小氣,只有七天試用期,訂閱 MyMap 的最低價格是 9 美元,但 A 編為了 GPT4 ,之接訂了 12 美元的 pro 版。看來無論是遊戲還是現實,課金變強都是不變的道理啊!

結語

好啦,其實也沒什麼特別要總結比較的,因為 MyMap 用起來真的太舒服了,但如果你只想當個免費仔,可以先用用看 Whimsical 。

而 Xmind 呢,其實它的檔案格式的支援度是最高的,要用其他軟體加工做成簡報的話,Xmind 還是有它的優勢之處的!

如果這支影片對你有幫助的話,請幫我在影片下方點個喜歡,並且把這支影片分享給需要的朋友,最後別忘了訂閱泛科學院的頻道,我們下支影片再見囉。

更多、更完整的內容,歡迎上科學院的 youtube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

泛科學院_96
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我是泛科學院的AJ,有15年的軟體測試與電腦教育經驗,善於協助偏鄉NPO提升資訊能力,以Maker角度用發明解決身邊大小問題。與你分享人工智慧相關應用,每週更新兩集,讓我們帶你進入科技與創新的奇妙世界,為未來開啟無限可能!

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植物身上的脂質增加會讓它變胖嗎?不會!反而會促進開花?——專訪中研院植微所前研究員中村友輝
研之有物│中央研究院_96
・2023/10/02 ・6057字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|歐宇甜
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

植物脂是什麼?它會怎麼影響植物?

如果提到植物脂質,一般人可能會想到果實或種子裡儲存的油脂,可以加工成大豆油、花生油、芝麻油等油品。不過,近年有越來越多證據顯示,脂質還會影響植物的生長和發育,例如開花的機制。中央研究院「研之有物」專訪過去院內唯一一位由發育生物學觀點研究植物脂質的學者,他是植物暨微生物學研究所的前研究員中村友輝,我們邀請他分享植物脂質研究與他的研究歷程。

中研院植微所的前研究員中村友輝。圖/研之有物

過去科學家對植物的脂質研究主要分兩個,一個是研究植物經光合作用轉化的脂質,這是植物可以拿來利用的養分;另一個是研究種子裡的脂質,例如透過品種改良或基因改造,提高種子的產油效率。中村友輝的團隊研究微觀的機制,他們探討脂質如何與其他訊號傳遞因子作用,協調植物的生長發育過程。

中村友輝是中研院植微所的前研究員,他深耕脂質研究已有 21 年,在中研院時期(2011~2022),他一手建立起脂質研究團隊,該團隊的重大研究成果之一就是:發現植物脂質跟調控開花有因果關係

中村友輝團隊發現植物脂質跟調控開花有因果關係,圖中植物為阿拉伯芥。圖/研之有物

要找出因果關係並不容易,研究團隊從植物脂質出發,先瞭解植物體內各種不同的脂質,再進一步探索脂質在植物體內如何製造與代謝。製造過程中,不同的酵素與步驟都會影響脂質的含量與結構,甚至同一種脂質,也都可能產生不同結構。

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在瞭解脂質如何製造與代謝之後,接下來就是深入脂質的實際功能。「脂質如何影響植物?」要回答這個問題,必須人為控制脂質的代謝,確認變因。

中村友輝團隊開發出「代謝切換系統」,這套系統可以短暫改變脂質的代謝速率或途徑,讓研究人員改變特定位置的脂質含量和種類,觀察不同脂質對植物的影響。

從人體機制找到調控植物開花的秘密

一般開花植物會根據季節變化、日照長短決定開花時機,而科學家發現植物裡有一種 FT 蛋白質(Flowering Locus T),能誘導植物開花,是一種開花素(Florigen)。

長日照植物在足夠的日照長度下,葉子裡的 FT 基因轉錄會活化並合成 FT 蛋白質,再運輸到頂芽,使葉芽轉變成花芽並開花,不過許多調控機制方面的細節仍然是謎。

中村友輝團隊發現,植物裡有一種磷脂質(磷脂醯膽鹼,Phosphatidylcholine,簡稱 PC),會隨日照變化改變,並與開花素產生交互作用、促進開花。脂質角色的加入,是當時其他學者尚未關注到的領域。

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為什麼團隊會把 FT 蛋白質跟植物脂質連結起來呢?

中村友輝表示,「我們注意到植物的 FT 蛋白質 3D 結構,跟人體中與脂質結合的蛋白質很像,這個蛋白質是磷脂醯乙醇胺(Phosphatidylethanolamine-binding protein,簡稱 PEBP 蛋白質)。雖然 FT 位在植物、PEBP 位在人體,但兩者構造相當相似。我們心想,既然人體的 PEBP 蛋白質可以跟磷脂質結合,植物的 FT 蛋白質是不是也能跟 PC 結合呢?PC 會不會跟調控開花有關? 」

電腦模擬 FT 蛋白質和 PC 磷脂質結合的「開花素活化複合體」3D 結構。資料來源/iScience

脂質真的會影響開花嗎?用代謝切換工程實驗看看!

為了證實這個推測,研究團隊開始進行各種實驗,透過代謝切換工程去調控植物體內的 PC 磷脂質含量,觀察當 PC 變多或變少時,會如何影響 FT 蛋白質的功能,以及開花速度會變快或變慢。

具體應該怎麼做呢?首先要有關鍵酵素「PECT」,只要抑制 PECT 的合成,就會連帶減少 PC 的合成量,進而觀察對 FT 蛋白質的影響。目前是以人工方式製作一段 amiRNA(Artificial microRNA,人工微型核酸),送進植物體內後,它能跟 PECT 的 mRNA 互補並結合,導致 PECT 無法合成。

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另一個方法是使用人工合成的啟動子(promoter,簡稱 p),啟動子是一段能讓特定基因進行轉錄的核酸片段。不同啟動子的功能不太一樣,例如啟動子 pFD,只有在頂芽裡才會驅動 FT 蛋白質合成;還有啟動子 pSUC2(Sucrose Transport 2),只在葉子維管束伴細胞(Vascular companion cells)裡才會驅動 FT 蛋白質合成,它專門跟一種藥物結合,實驗時可以透過藥物來控制。

團隊透過上述這些方法來控制 FT 蛋白質只在特定器官產生,再調控 PC 磷脂質含量增加或減少,藉此觀察脂質對開花的影響。

結果發現,如果在頂芽處讓 PC 磷脂質增加的話,的確可以促使開花。

此外,還發現 PC 構造會隨日夜變化,白天時,PC 磷脂質主要是飽和脂肪酸,容易和 FT 蛋白質結合,促進開花;晚上時,PC 磷脂質主要是不飽和脂肪酸,難與 FT 蛋白質結合,不促進開花,開花時間延遲。

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在植物的頂芽處,PC 磷脂質含量會影響開花,但是日夜情況不同。圖中的飽和脂肪酸是長碳鏈,不含紅色雙鍵。紅色雙鍵越多,表示不飽和脂肪酸程度越高。圖/研之有物(資料來源/中村友輝)

至於團隊有實際拍到 FT 蛋白質和磷脂質結合的模樣嗎?中村友輝說:「我們目前是用電腦模擬的方式,將 FT 蛋白質和磷脂質兩個分子的 3D 模型放在一起比對、計算,得知兩者最可能的結合方式。之前有嘗試用冷凍式電子顯微鏡(Cryo-electron microscopy)拍攝,但可能是 FT 蛋白質本身太小,沒有成功 ,希望未來有機會。」

這篇論文於 2014 年刊登於「自然通訊」(Nature Communications)期刊,之後陸續有些科學家也在研究脂質對開花的影響,有的發現在維管束的脂質也會影響 FT 蛋白質傳送,有的發現水稻的開花素運作模式,跟本次實驗所用的模式植物阿拉伯芥類似。

不過,全世界的植物種類非常多,不同植物的生長、開花特性可能不同,像短日照、長日照植物所需日照時間不同,有些植物如曇花是晚上開花,有些植物是先開花才長葉,其他類型的開花機制仍待更多研究來解開。

中村友輝團隊研究磷脂質如何影響植物開花的機制,採用模式生物阿拉伯芥作為研究對象。圖/研之有物

用藻類酵素刺激產油

如果科學家能掌握並任意開關植物的代謝路徑,以後就能隨心所欲讓植物生長或開花並應用在農業上嗎?中村友輝指出,「一旦瞭解代謝途徑,到真的應用層面上,的確不是遙不可及。我們之前有一個研究,就是透過掌握酵母菌的代謝途徑,讓這些小生物生產大量油脂。」

其實,科學家最早在研究代謝工程時就是以藻類、酵母菌和細菌等單細胞生物為主,每個細胞是一個完整生物體,而多細胞生物是一個個體有很多不同功能的細胞,相較之下,單細胞生物的代謝過程比多細胞生物單純許多。科學家研究酵母菌多年,幾乎瞭解脂質代謝路徑、參與調控的酵素,比較容易進行代謝工程。近年因為地球暖化問題,科學家研究如何以生質能源來替代石油,想透過酵母菌大量生產生質柴油,可惜遲遲找不到突破方法。中村友輝的團隊找到一個創新構想:將一種藻類酵素導入酵母菌,能讓產油量大幅增加。「不過,這個酵素被發現是一個意外。」中村友輝笑道。一開始中村友輝團隊是在分析藻類某種關鍵酵素 DGAT ,它是合成、儲存油脂的關鍵酵素,可以催化三酸甘油脂產生,有一群功能類似但構造不同的同分異構物,就像一個酵素家族。團隊將這些酵素的基因一個個抓出來,把它們導入酵母菌,想分析哪個酵素能讓酵母菌產油最多。最後研究團隊發現 DGAT2 能讓酵母菌產油量提升到野生酵母菌的 10 倍!其實,酵母菌裡也有同樣功能的酵素,但代謝效率、產油能力都沒有這個酵素 DGAT2 來得好,沒想到他們將酵母菌原本的酵素拿掉,運用外來的藻類酵素刺激,能讓酵母菌產油量突破以往極限。

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酵母菌的脂質代謝路徑,上方路徑形成儲存性脂質(橘色),也就是 TAG(三酸甘油酯);下方路徑形成膜脂質(綠色)。如果要生產生質柴油,必須盡量讓酵母菌往儲存性脂質的路徑走。中村友輝團隊將酵母菌原本的酵素替換成含有 DGATs 基因的藻類酵素,發現產油量大幅增加。圖/研之有物(資料來源/Frontiers in Microbiology

中村友輝說道,「有些做代謝工程的方式是改寫整個代謝路徑,我們只是促進或抑制某個路徑,改動範圍沒有這麼大。這篇論文是少數做到應用層面的研究,但我們只有養少量的酵母菌,真正要做到工業級生產,需要其他專門的人。我們仍是以基礎研究為主,聚焦在發現基礎代謝途徑,找出各種未知代謝途徑或未知代謝物。畢竟要先瞭解基本的,才可能有後續應用。」

原來,植物脂質沒有大家想得那樣簡單,只是當作儲存能量而已,更對植物的生長與發育影響重大。中村友輝希望未來繼續探討這個似乎無窮無盡的植物脂質領域,找出更多嶄新的發現。


除了研究內容之外,喜愛植物和旅遊的科學家中村友輝,當初如何踏上科研之路?為何如此熱愛植物脂質領域?來臺灣工作多年又有什麼觀察與發現呢?

問 您從小就喜歡植物嗎?當初如何走上學術研究的道路?

答 我小時候常常在戶外玩,喜歡花草,甚至會跑去河邊採水草,放在家裡水族缸養。在校學習時,我其實都是文科比較好,理科不是很好,應該沒有人想到我會走上科研的道路。但是,我發現自己對「分子生物學」很有興趣,DNA 這麼簡單的雙股螺旋結構,為何會產生蛋白質、形成生物體?我為此深深著迷。

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前幾年我去一場會議演講,詹姆斯·華生(James Watson,DNA 雙股結構發現者)就坐在前面第一排,沒想到我竟然能跟這位崇敬的科學家一起分享自己的實驗,那是個非常值得紀念的日子!

問 您曾去過許多地方旅行,有沒有留下什麼印象深刻的事?

答 我對其他國家的文化感到好奇,也喜歡親身體驗,從當地人觀點融入生活。我曾去到阿富汗和巴基斯坦,那裡戰亂較多,有一點危險,某次經過巴基斯坦和阿富汗交界的公路時,我還付錢請了兩個保鑣隨行。我去到那裡一些很貧困的地方,曾問當地人:「對你來講,活著的目的與意義是什麼?」沒想到那個人只是簡單回說:「我只想要活著就好,我活著的目的就是不要死!」這個回答讓我相當震撼,原來世界上有人是這樣活著。

問 您當初為何選擇植物脂質領域的研究,是否有什麼契機?

答 當年我在日本東京工業大學讀書,通常日本大學在畢業前要完成一個論文,大四有一年時間做研究。我喜歡植物,不喜歡動物或醫學,就選擇進入一間植物實驗室。剛開始我並不是選擇脂質作為主題,不過那時學界已開始發現到,脂質可能影響光合作用,因為脂質是構成葉綠體雙層膜的主要成分,我就因緣際會下踏入植物脂質領域,到現在已經 21 年。

問 您後來如何發現脂質對植物的生長與發育有重要影響?

答 科學家已經知道葉子、種子含有脂質,但大家並不清楚花朵裡的脂質是什麼樣子。那時教授給了我一個題目,就是去瞭解花裡面的脂質成分,這個題目還沒有人做過,我便接下這個挑戰。一開始我是辨識花裡含有哪些脂質,拿來跟種子、葉子的脂質成分做比對。

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花朵分成不同的器官像花瓣、雄蕊、雌蕊、花柱和花萼等,我驚訝的發現,花裡的脂質不但跟葉子、種子的脂質成分不一樣,而且在花朵的不同器官中,脂質成分竟然也不同。這讓我感到很有趣也很納悶:為什麼會有這麼大的差別?成為我開始深入探討脂質對開花影響的契機。

問 您是在什麼樣的契機來到臺灣工作呢?

答 我是從 2011 年進入中研院。在大學當背包客的旅程中,我發現亞洲的科學發展蠻有潛力,便開始學習中文。博士班畢業後,我決定先去新加坡讀博士後研究,當時新加坡的實驗室成員都是華人,包括中國、臺灣和新加坡等。後來剛好中研院植微所在徵人,於是我就來到臺灣。我覺得臺灣最好的部分是人,臺灣人真的非常好!我對這裡的生活很適應,臺灣的小吃、水果都很好吃,我特別喜歡芒果!

問 這些年您對臺灣的學術環境有什麼樣的觀察或心得嗎?

答 在臺灣,可以找到很多願意學習的人一起參與研究。很感謝中研院給我這個機會加入,發展我的研究旅程。我 31 歲就擔任實驗室主持人,我對中研院的回報就是盡量把研究成果一個個發表出來,希望讓中研院知名度提高。臺灣政府很願意支持基礎科學研究,雖然不能馬上看到成果,但對於後幾年的應用來講是最重要的,很希望未來臺灣政府能持續支持基礎研究,吸引更多國外學者來臺灣,將整個基礎研究能量做大。

問 您目前的研究方向有哪些?

答 第一個就是延續脂質調控開花的研究,因為還是有很多東西不瞭解。第二個是持續發現新的代謝途徑。植物的脂質代謝途徑很多、很複雜,大家所見的路徑圖表只是簡單示意,實際上不是真的這麼簡單,還有很多東西沒有被發現。最後是研究脂質跟莖的生長、大小的關係,跟脂質能調控開花的概念有點類似。總結來說,我的研究主軸是希望繼續瞭解脂質是怎樣影響植物的發育和各種生理現象。

中研院植微所的前研究員中村友輝與當時的研究團隊合影。圖/研之有物

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook