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同一片花瓣的顏色為何有深有淺?揭開花青素分佈之謎

活躍星系核_96
・2017/06/09 ・1584字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

譯者/黃宣霈|清華大學理學院學士班

約翰.英納斯研究中心(John Innes Centre, JIC)的科學家,藉由深入了解一個奇妙又艷麗的植物構造--「花青素液胞包含體(anthocyanic vacuolar inclusions, AVIs)」,來揭開一個存在已久的謎團……

花瓣多彩的三色堇。圖/pixabay

秋天的紅色楓葉、多彩的三色堇花瓣以及餐桌上的紫色藍莓,它們的色彩有個共通點:無論是紫色、藍色或橘紅色,都是由名為「花青素」的色素分子累積形成的。

花青素除了使植物能擁有五顏六色,它形成的樣式及明暗還能引導傳粉者上門拜訪,或吸引動物享用果實、幫助種子散播。此外,花青素還可以保護植物對抗光氧化(photo-oxidative)的破壞性傷害,例如高強度的紫外線。

AVIs:不尋常的花青素分布

在過去,花青素曾有一段時間被認為是以水溶性分子的形式,均勻分佈在植物細胞的液胞(vacuole)內。不過,也有過去的研究注意到:在某些植物的例子中,它們液胞裡的花青素會沉積出顯而易見的深色團簇,科學家給了這種小團簇一個名字,叫做「花青素液胞包含體」(後文使用縮寫 AVIs)。

洋桔梗(Prarie Gentian, lisianthus)的花瓣中心呈現較深的紫色。圖/Pixabay
洋桔梗(lisianthus)花瓣基部深色區域的上表皮(adaxial epidermis),可見到紫色大液胞中紫色更深的AVIs。圖片擷自原研究。

直至今日,關於這種特別的構造是如何形成的,科學家尚未有確切的答案,更遑論是它為何存在。直到 JIC 的凱西.馬汀(Cathie Martin)教授將他們的團隊研究發表在 Current Biology 期刊,為AVIs形成的分子機制提出了新的見解。這項研究除了 JIC 的研究者,也有來自中國、紐西蘭、挪威的研究員參與。

AVIs的多少,關鍵在酸鹼和化學

菸草(Nicotiana tabacum)是一種植物研究中常用的模式生物1,一般而言它不會大量製造花青素。但是藉由基因改造,可以使菸草細胞內表達出一些原本在洋紅色金魚草中的蛋白質,進而讓菸草體內的花青素含量增高。根據研究團隊的觀察,這些花青素是可以在液胞內溶解的。再進行後續 AVIs 的相關實驗。

此研究的第一作者,JIC 的卡亞尼.卡蘭(Kalyani Kallam)博士說道:「透過將能夠大量表現可溶性花青素的基改煙草與有能力修飾花青素的菸草植株兩者雜交,我們就能夠製造出可以形成 AVIs 的菸草後代。在實驗中,我們針對不同的基因和改變環境因子2,推論出形成 AVIs 的化學步驟。此外,我們更進一步推測:AVIs 並不是被膜包覆的構造,而是花青素在經過一些特定的化學修飾3後,在液胞內沉澱的結果,這樣的情形會根據 pH 值有所不同。」

兩圖分別為不同菸草植株經雜交後的子代之根毛細胞;左圖呈現出高含量的水溶性花青素;右圖除了也呈現出高含量的水溶性花青素外,較深色的團塊即為 AVIs。圖片擷取自原文研究。

馬汀教授說道:「在許多植物中,AVIs的形成多半是特定種類的花青素在某些狀況下無可避免的化學現象。但是在另一些植物中,例如洋桔梗(Prarie Gentian, lisianthus),它的花瓣中心的顏色非常深,AVIs 可能透過使花瓣增加色素的密度,藉此吸引授粉者或是幫助種子散佈的動物。」

註釋:

  1. 模式生物(model organism)指廣泛用於研究的物種,通常具有基因組小、生命週期短、容易繁殖後代等特性。
  2. 在實驗中所使用的不同環境因子,有改變溶液離子濃度、改變 pH 值、改變花青素濃度等等。
  3. 化學修飾(chemical modification)指在一個分子上發生共價鍵的變化,通常是某種基團的加入或移除。發生化學修飾後,可能會改變原本的分子活性。

參考資料

原文研究


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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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「你不要過來啊!」蜘蛛為了在交配中保命,竟然把自己給射出去了!

Peggy Sha
・2022/05/18 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘

自然界中,充滿了不少為了交配而「慷慨赴義」的勇者,像是:螳螂、蜘蛛等等,在激戰中或激戰後,雄性會變成配偶的盤中飧,如此一來,不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!(讓我們感謝飛天小爸爸的努力!)

「性食同類」不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!圖/Pixabay

這種現象呢,被稱之為「性食同類」(sexual cannibalism),通常是雌性吃掉雄性的比例稍微高一些。

但正如俗話所說,「生命會自己找到出口」,竟然有雄性蜘蛛靠著把自己「射」出去來保下一命!今天,就要來為你講述,隆背菲蛛(Philoponella prominens)的噴射故事。

交配到一半就彈出去了?超離奇高速彈射之謎!

這次的主角隆背菲蛛呢,是一種原產於日本、韓國等地的社會性動物,過去驚人的成就包括:能夠一次聚集 300 多隻同伴,共同編織出一片大網。

至於牠們超強的彈射能力又是如何被發現的?原先,來自湖北大學的張士昶副教授與團隊正在研究隆背菲蛛的性行為,卻忽然發現了一個超離奇現象:完成交配之後,雄蛛居然會猛然彈開,「biu」地一下就飛得老遠!

這驚人的過程可說是快到不可思議,最高紀錄達到一秒 88.2 公分,別說是肉眼,就連普通相機都沒辦法正確紀錄下細節。

這個現象立刻引發了研究團隊的好奇心,那麼接下來該怎麼辦呢?當然是:交配大戰看起來!

射,還是不射?這是個攸關性命的問題!

為了進行研究,團隊總共觀察了 155 次交配行為,並在其中 152 次中觀察到了這種超高速的彈射情形。你可能會很好奇,那剩下的 3 次呢?嗯……那 3 隻隆背菲蛛沒有成功彈射出去,交配後就成了配偶的大餐了。

什麼?沒彈掉就會被吃掉?這究竟是巧合還是命運的安排?

研究人員決定出手人為干預一下,他們選了 30 隻隆背菲蛛,然後想辦法阻止牠們彈射,結果發現:「彈射=保命」,要是你射不出去,那你就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的晚餐。

要是隆背菲蛛彈射失敗,那就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的營養來源。圖/Pixabay

相反地,如果成功彈出去了,那麼,你不但可以保命,也多了再次交配的機會。嘿,沒錯,牠們彈出去後還會再爬回來交配,再彈、再爬、再交配,就如此反反覆覆。(當然啦,有時也會在過程中不小心弄掉一些身體部位,比如一兩支步足。)

想要成功噴射,你需要一對強壯的步足!

至於為何隆背菲蛛能變成這樣的飛天小蜘蛛呢?秘密就藏在牠們的步足中。研究團隊發現,雄蛛們會將第一對步足抵在雌蛛身上,一旦交配完成,就用力蹬腳彈射出去。

根據實驗,科學家們發現這對步足可說是噴射與交配關鍵,少了一支都不行,只要沒有這對秘密武器,雄蛛只會停留在求偶階段,但不會真的跟雌蛛交配。但如果掉的是其他幾支腳,那可完全不會影響交配過程,還是能順利完成生育大計。

而這對秘密武器最強大的地方,其實是來自液壓;只要蜘蛛擠壓胸部的肌肉,便可以將其中的體液注入特定關節(tibia–metatarsus joint),透過液壓來伸直步足、產生彈力。

沒想到吧?為了在交配中保命,隆背菲蛛還得運用到流體力學,是不是很有趣呢?

參考資料:

Male spiders avoid sexual cannibalism with a catapult mechanism: Current Biology
These male spiders catapult away to avoid being cannibalized after sex
Watch These Male Spiders Jump Like Hell to Avoid Being Eaten After Sex
This Male Spider Catapults Itself Into the Air to Avoid Sexual Cannibalism | Science| Smithsonian Magazine
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。