Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

0

1
2

文字

分享

0
1
2

面對無法改變的氣候,植物透過根改變自己——根分泌物與它的製造者(下)

嚴融怡_96
・2020/03/01 ・4158字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

看過了上篇〈植物根系看不到的忙碌生活:改造家園、抵禦外敵還要忙著送信!——根分泌物與它的製造者(上)〉與中篇〈用根分泌物搭起與微生物的敵我糾葛——根分泌物與它的製造者(中)〉植物根系多采多姿的生活後,你應該再也無法忽視這些地底下的隱密魔法師了吧!生命總是如此奇妙而充滿未知,我們越認識它們,也越有機會從中找到有益自己、有益環境的可能。

除了透過根分泌物調控生活環境、抵抗病害,根分泌物也幫助了植物應對生長地區氣候帶來的各種環境壓力,在氣候異變日益頻繁的今日,根分泌物調節與氣候之間的關係越來越受科學家們關注。

水稻根系的低溫因應機制

水稻根系最適生長溫度是 28~32℃,根系正常生長的臨界低溫為 16℃,隨著溫度的升高,根系生長量會逐漸增大,反之則不利生存。[1]

水稻是相當重要的糧食作物。Image by Pexels from Pixabay

超氧化歧化酵素(superoxide dismutase, SOD)可催化超氧化物透過歧化反應轉化為氧氣和過氧化氫,而過氧化氫酵素(catalase, CAT)和過氧化酵素 (peroxidase, POD)都是植物體內用來清除細胞過氧化氫等活性氧物質的酵素,也同時保護它們撐過極端環境——當低溫脅迫發生時,水稻根系的這三種酵素活性都會增加以幫助它們撐過環境的變化。

直面高溫的內生真菌根

在面對高溫的環境時,不少植物會啟動熱休克蛋白或是部分的保護酵素,但高溫仍是大部分植物的罩門。不過有些植物仍可透過內生真菌的協助來應對高熱環境的壓力。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
隨著溫度上升或乾旱,植物也要適應環境。圖/ pixabay

美國黃石公園地熱溫泉附近就有一種單子葉草本植物 Dichanthelium lanuginosum,它和一種內生真菌 Curvularia protuberata 在真菌病毒的調節之下,能夠藉由內生菌根的共生關係來應對極為高溫的地熱環境。但很特別地是,如果這中間的共生過程沒有病毒的參與,就沒有辦法達到耐高溫的作用。

這種複合式的共生關係是自然界相當奇特的案例,很值得科學家持續的探究。尤其在陽明山以及台灣各地的地熱溫泉附近,也常見到雜草生長,也許未來科學家能夠在這些植物週邊分離鑑定出更多重要的共生微生物或是某些耐熱機制,幫助氣候變遷下的永續農業發展。

乾旱與根系的變化

在熱帶地區,植物細根生長主要是在雨季,根系生物量增長高峰出現也在雨季,而低谷則出現在旱季,由此可知土壤缺乏水分會降低根系生物量。在乾旱脅迫下小麥根系數量與根系表面積會顯著降低,柑橘根系中則會的降低磷含量;增加鉀和氮的含量;顯著抑制鐵、鎂、鈣等累積。不過,乾旱也會誘導植物根系抗氧化酶等保護系統回應,幫助自己度過難關。

黃石公園耐熱植物Dichanthelium lanuginosum的耐熱仰賴於和真菌、病毒三者共生 (圖片引自維基共享資源)

不少植物會運用矽元素來建構防禦工事的度過逆境。矽元素可增加根系生長的表面積,並透過提高多元醇等滲透物質含量來增加吸水能力,也可調節根細胞膜的通透性與活化膜上 H+-ATP 通道,降低根部對鈉離子的吸收;增加鉀、鈣等陽離子的吸收,進而提高作物的耐旱能力。同時,矽還能夠沉積在植物細胞壁並形成抵抗病原侵入的障礙結構,參與抗病生理表現,像是提高幾丁質酶等抗菌水解酶活性;及參與植物抗病物質生成的調控機制,如提升過氧化酶(POX)、多酚氧化酶(PPO)與苯丙氨酸裂解酶(PAL)等酵素活性。因此曾有施加矽元素來抑制農作物銹病、稻熱病、番茄萎凋病等成功研究案例。也有的研究運用奈米矽片來協助植物抑制多種病原真菌的菌絲生長,使奈米矽片成為具有潛力的植物保護資材。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
從Woollsia pungens分離的菌根真菌。菌根是植物和真菌很常合作共生對應逆勢環境的做法(圖片引自維基共享資源)

根據阿姆斯特丹大學地球表面科學教授 Franciska de Vries 所指導的研究指出,受乾旱脅迫的植物還可能透過改變從根部分泌的碳水化合物混合物,促進微生物活動、改變附近真菌和細菌的行為,以釋放更多營養物質並促進其自身生長。 

Franciska de Vries 和他的團隊研究了絨毛草(Holus lanatus)和酸模(Rumex acetosa)這兩種傳統管理乾草甸非常常見的雜草的根分泌物影響。這兩種雜草生長都很快速,但有非常不同的根系——絨毛草的根系是由長而細的根所組成,而酸模的根系則短而粗。生態學家將兩種植物置於兩週的乾旱當中,並使之經歷乾旱期後與兩週的恢復期,再收集根分泌物,測試根分泌物對來自不同處理方案的土壤樣品的影響。結果顯示,兩種植物在乾旱條件下排出的根分泌物較少,但卻都增加了土壤微生物的活性。並且,這些增加都歸因於植物碳水化合物混合組成的變化。

再將這些發現與承受放牧壓力的草本植物進行比較,Franciska de Vries 發現放牧也會導致受壓植物的根系分泌物水平增加,並導致微生物活動增加,以釋放出更多的營養物質。而這類由植物所引導的微生物活動也會導致更多的碳從土壤中釋放。1

以 Franciska de Vries 的研究為一例,學界越來越認識到從植物根部滲出的可溶性碳水化合物(如醣類、氨基酸和有機酸)對生態系統功能的重要性。我們已知高達百分之十的植物光合產物最終會成為根系分泌物,但在過去,這曾被認為是被動過程。植物利用這些根系分泌物來增進互利共生的微生物和它們之間的互動。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

自然界的植物及其關聯的微生物種類萬千,還有太多是科學家所未能掌握的機制。但是這群隱密的魔法師其實是形塑自然生態很重要的推手,影響著未來的地球脈動,絕非生命科學可以忽略的議題。真實世界的奇妙,從來不亞於人類的想像世界,相信未來會有越來越多關於「根分泌物與它們的製造者」的課題被挖掘出來的。

注解:

  1. 土壤雖然是一個重要的碳匯,但是這項研究顯示乾旱可能會改變碳匯功能。由此可知,了解植物和微生物之間的相互作用,對於深入理解碳循環所受乾旱氣候影響的反饋機制是非常重要的。

參考資料:

  1. 木村秋則原著,王蘊潔翻譯,2010,蘋果教我的事:木村阿公給未來的禮物。圓神出版社。
  2. 木嶋利男編著,蔡婷朱翻譯,2018,家庭菜園的土壤科學。晨星出版。
  3. 石川拓治原著,王蘊潔翻譯,2009,這一生,至少當一次傻瓜─木村阿公的奇蹟蘋果。圓神出版社。
  4. 伍鈞、孟曉霞、李昆,2005。鉛污染土壤的植物修復研究進展。土壤37(3): 258-264。
  5. 吳輝、鄭師章,1992,根分泌物及其生態效應。生態學雜誌 11(6):42-47。
  6. 林良平,1997,土壤微生物學,南山堂出版社。
  7. 林易署、陳俊桀、楊純明,2013,簡介農地之重金屬污染及其復育,行政院農業委員會農業試驗所技術服務季刊第二十四卷 93 期。
  8. 袁秋英,2016,植物相剋化合物於雜草管理之應用。藥毒所專題報導 No.121。
  9. 莊喻婷,2017,探討不同抗病程度香蕉品種之根分泌物對香蕉黃葉病原菌的影響。國立中興大學生命科學系所碩士論文。
  10. 莊豐鳴、盧虎生,2013。高溫對水稻產量及品質之影響:從生理層次到田間環境之探討。作物、環境與生物資訊 10 卷 1 期 P 75 – 83。
  11. 許家言、張有明、曾夢蛟。2007。以農桿菌法轉移氧化歧化酵素基因(sod)與過氧化氫酵素基因(cat)到小白菜之研究。興大園藝 32(2):45-61。
  12. 陳紅、馮雲、周建梅、徐振國、廉超、郭起榮,2013,植物根系生物學研究進展。世界林業研究第 26 卷第 5 期。
  13. 陳桂綿、劉瓊霦,2012,添加鈣對相思樹苗木在酸雨逆境下的效應。林業研究季刊 34(3):237-250。
  14. 蔣岱岡,2017,自土壤中分離出具促進植物生長能力之細菌並分析其促進植物生長之能力。大葉大學生物產業科技學系碩士論文。
  15. 小兵立大功奈米化資材於植物保護之應用
  16. 台北植物園好花共賞 126 《西洋接骨木:製作魔杖的植物
  17. 農業知識入口網《如何強化作物抗逆境能力協助化學農藥減半政策之推動
  18. 農業科技決策資訊平台《根分泌物能影響土壤穩定性
  19. 莊榮輝等,《植物對重金屬逆境之反應》,國立台灣大學生物化學研究室
  20. 食品藥物管理署《誤食曼陀羅中毒! 呼籲民眾避免自行採摘及食用來路不明的植物
  21. A. Ola, I. C. Dodd, and J. N. Quinton. 2015. Can we manipulate root system architecture to control soil erosion? SOIL1:603–612.
  22. Jun Yuan et al. 2015. Organic acids from root exudates of banana help root colonization of PGPR strain Bacillus amyloliquefaciens NJN-6. Scientific Reports volume 5, Article number: 13438.
  23. Linkun Wu et al. 2015. Plant-microbe rhizosphere interactions mediated by Rehmannia glutinosa root exudates under consecutive monoculture. Scientific Reports volume 5, Article number: 15871.
  24. Luis M. Márquez et al. 2007. A virus in a fungus in a plant: three-way symbiosis required for thermal tolerance. Science 315(5811):513-515.
  25. Friends with benefits: Biopesticides and biostimulants
  26. Invasive tropical plant can completely remove metal pollutants from Britain’s rivers – new study 
  27. Microbiome:根系分泌物驅動土壤記憶抵禦植物病原菌(作者解讀)
  28. Wikipedia:Mandrake 
  29. Neutrons investigate tomatoes for insights into interplant chatter
  30. Plants Really Do Feed Their Friends
  31. Plants under drought stress change their microbes through their roots 
  32. Root exudates affect soil stability, water repellency 
  33. Rhizosphere-scale quantification of hydraulic and mechanical properties of soil impacted by root and seed exudates
  34. The Dark, Teeming Vineyard Underworld
  1. The Mandrake- the art of magic in the Romanian tradition (imperial transilvania)
  • 文字編輯/翁郁涵
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
嚴融怡_96
12 篇文章 ・ 62 位粉絲
曾就讀中興大學土壤環境科學系,曾在中央研究院地球科學研究所擔任助理,長期作為台北鳥會的生態解說志工,並曾在多個學校社團擔任過講師;喜歡生態學、環境科學、地球科學、生物學、與科學史等領域,對科普教育和環境教育都有著很大的熱情。居里夫人曾說:『我們應該不虛度一生,應該能夠說我已經做了我能做的事。』希望一生都徜徉在科學的星河當中。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
末日模擬!從氣候變遷到核戰爭,人類未來將走向哪個結局?
PanSci_96
・2024/11/19 ・1957字 ・閱讀時間約 4 分鐘

科學家模擬的末日場景

隨著二氧化碳排放持續增加,全球的政治局勢日益緊張,世界上各國的承諾屢屢在國際會議中被辜負,戰爭的結束也似乎遙遙無期。警示世界末日的「末日鐘」越來越接近午夜,人類與地球的未來變得越來越悲觀。

這並非一種刻意的悲觀,而是基於氣候變遷和人類衝突升溫的現實。許多人或許和我一樣好奇,末日會不會真的臨近?如果會,那又會是什麼樣的場景?是氣候徹底失控的《明天過後》?還是生態浩劫後的全面沙漠化,需要武力生存的《沙丘》和《瘋狂麥斯》?或者是核戰之後,所有人生存在廢墟中的《異塵餘生》?

我們的未來走向尚未確定,但科學家已經率先模擬了不同的可能結局,讓我們可以一窺未來的模樣。這些模擬告訴我們,如果人類繼續走某些路徑,地球的結局將是如何。至於我們是否能避免這些結果,就得由全體人類共同決定。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

如何模擬出整顆星球的氣候變化?

要模擬整顆星球的大氣變化是一項龐大的任務,至少需要三大要素:理論、資料、和計算資源。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

首先,人類對氣候系統的物理和化學模式需要有足夠的了解,也就是大氣理論必須足夠完備。其次,需要足夠多的資料來模擬整個行星。這些資料包括地球半徑、自轉速度、海洋分布、太陽輻射、大氣成分等等,甚至是地表的狀況與地形。台灣的中央山脈就能影響到西太平洋的颱風走向,進而影響整個東亞的氣候。如果希望盡可能還原地球的真實情況,還需考量海洋的垂直溫度分布、植物分布導致的生物地球化學反應等。

最後,還需要強大的計算資源,也就是超級電腦。由於資料量龐大,每個參數的小誤差都可能引發蝴蝶效應,影響到預測結果。因此,科學家通常會微調各項參數,並對每組參數進行多次計算,這些都需要大量的運算能力。

模擬沙丘中的荒漠星球

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯,經布里斯托大學模擬,揭示未來氣候可能。圖/wikimedia

科幻小說《沙丘》中的厄拉科斯(Arrakis)是一顆完全荒漠化的星球,英國布里斯托大學的亞歷山大·法恩沃斯等人曾對這顆星球進行了模擬。他們使用在研究地球氣候變遷時使用的氣候模型,並結合小說中的設定,如大氣中的二氧化碳濃度和臭氧含量等,模擬了 500 年後的厄拉科斯氣候。

模擬結果顯示,厄拉科斯的赤道和熱帶地區夏季高溫達 45 度,冬季不低於 15 度。而高緯度地區則更為極端,夏季高溫可達 70 度,冬季最低可達 -75 度。由於大氣濕度和雲層的存在,極地反而比赤道更溫暖。此外,儘管小說中描述厄拉科斯幾乎沒有降雨,但模擬顯示高緯度和山區仍會有少量降雨。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這些結果顯示,科學家不僅愛科幻,也樂於用科學方法來驗證科幻中的設定。這些模擬能讓我們更了解地球的氣候系統,並讓我們警惕荒漠化的危機。

核戰後的世界:核冬天的可怕景象

如果人類全面爆發核戰爭,戰後的世界會是什麼樣子?研究顯示,大規模的核武攻擊將產生大量的輻射塵和煙灰,進入大氣層並遮蔽陽光,導致「核冬天」的到來。

2019 年的一篇研究模擬了美俄之間的全面核戰爭,結果顯示,爆發後的第一年,全球氣溫將大幅下降,北半球的夏季溫度將下降 25 度,冬季氣溫則會降至零下,植物生長期縮短至僅剩 25 天。煙灰遮蔽陽光,導致全球糧食供應崩潰,第二年可能有 50 億人面臨飢餓。

這些模擬結果告訴我們,全面核戰將帶來毀滅性的後果,核冬天將使人類無法正常生活,這是真正的末日場景。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
核戰模擬顯示,氣溫驟降與糧食崩潰將致全球大饑荒。圖/envato

地球的未來會是如何?

地球未來的命運取決於我們今天的選擇。如果我們對氣候變遷置之不理,兩極冰帽將完全融化,海平面上升,許多沿海地區將被淹沒。雖然不至於像《水世界》中那樣極端,但低地區域的居民將面臨嚴重的生存挑戰。

如果人類選擇繼續衝突,甚至爆發毀滅性戰爭,我們的未來將如《瘋狂麥斯》或《異塵餘生》般,生存在廢墟中,面對乾旱、糧食短缺與持續的環境破壞。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定每一個科學大事件!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

0

7
0

文字

分享

0
7
0
家中養貓狗,寶寶可能更健康?研究證實毛小孩有助於提升新生兒免疫力
PanSci_96
・2024/08/25 ・1454字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 文/林芸寬、張愷丰、張庭瑀、郭亮均、林詠真 

最新研究:寵物與新生兒健康的密切關聯

現代家庭飼養寵物的比例逐年上升,貓狗已成為人類最親密的夥伴。農業部最新(2023)的資料發現,臺灣飼養貓狗的比例上升,家犬較上一期(2021)增加 19%;家貓較上一期增加 50%。然而,許多新手父母常擔心,飼養貓狗可能會影響新生兒的健康,像是引發呼吸道過敏等疾病,但近期的科學研究提供了相對令人安心的解答。 

最新研究指出,飼養貓狗,可能更能減少新生兒感染呼吸道疾病的機率。 圖/envato

科學家發現,飼養貓狗也許有益家庭中新生兒的健康。最新研究證實,家中貓狗不僅能增添樂趣,更能減少新生兒感染呼吸道疾病的機率。早在 2012 年,就有芬蘭研究團隊追蹤鄉村地區 397 名新生兒,自出生到一歲的健康狀況,發現有飼養貓狗家庭中的新生兒,較少感染呼吸道疾病。研究詳實記錄貓狗與新生兒的互動頻率,及其對新生兒健康的影響。

腸道菌相的力量:微生物如何提升寶寶免疫力

今(2024)年聖路易華盛頓大學兒科團隊發表在《Pediatrics》的最新研究,分析新生兒的就醫紀錄,並透過對父母的訪談,探討「親餵母乳」、「家中飼養貓狗」、「新生兒醫療需求」三者間的關係。研究發現,親餵母乳且家中有飼養貓狗的新生兒,出生六個月內對醫療服務的需求相對較低。華盛頓大學團隊推測,這可能是貓狗身上的微生物 ,增加了環境中微生物多樣性,並影響新生兒的免疫力。 

環境中微生物多樣性,與新生兒免疫力的關係為何?至今仍是未解的問題,但根據現有的研究,這很可能與新生兒體內「腸道菌相」的差異有關。「腸道菌相」是胃腸道中的微生物群落,由細菌、病毒和真菌組成,它們在我們的免疫系統發展中扮演了重要角色,特別是在生命的早期階段,對腸道的健康和功能有著深遠的影響。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為何養狗的新生兒感染率更低?

2023 年的一項研究,進一步探討環境中微生物多樣性與新生兒免疫力之間的關係,揭示腸道菌相的多樣性在在影響了新生兒的健康。研究顯示,家中飼養狗的新生兒,其腸道中的梭桿菌、科林氏菌和瘤胃球菌等菌群明顯較多,這些菌種的豐富性有助於免疫系統的發育,也可能有助於減少新生兒過敏與氣喘的風險。

有趣的是,這份研究也提到,對於喝配方奶的新生兒而言,其腸道菌相的組成與養狗有關,「與狗接觸」可能成為他們獲取環境微生物的替代途徑,補充因缺乏母乳餵養而缺少的微生物,從而幫助免疫系統的發展。

小孩與狗的接觸,反而可能成為獲取環境微生物的途徑。 圖/envato

目前研究雖無法直接證實接觸貓狗可以增強免疫力,但可以確定的是,接觸貓狗的小孩,腸道內的微生物多樣性高,也比較不容易生病,新手父母可以不用太擔心養狗對小孩發育的影響。同時,與狗接觸還能改變嬰兒腸道中的微生物組成,這或許有助於減少呼吸道疾病的發生風險。

資料來源: 

  1. https://www.moa.gov.tw/theme_data.php?theme=news&sub_theme=agri&id=9418
  2. https://publications.aap.org/pediatrics/article/130/2/211/29895/Respiratory-Tra ct-Illnesses-During-the-First-Year
  3. https://www.nature.com/articles/s41390-024-03200-9
  4. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/cea.14303
-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
新北「氣候行動徵件」活動總獎金 8 萬元 號召青年展開行動成為氣候領袖
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/23 ・1247字 ・閱讀時間約 2 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

全球正面臨急遽的氣候變遷,世界公民必須共同面對,環保局發布「新北 2024 國際青年氣候行動論壇——氣候行動團隊創意徵件」,鼓勵臺灣青年從校園或社區出發,針對觀察到的環境問題提出行動方案,入選隊伍將獲得專業導師指導並帶領實踐提案內容,最終勝出者不只可獲新臺幣 4 萬元獎勵金,更有機會放眼國際,於年底的紐約荒野中心青年氣候高峰會上展現成果。環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,徵件日期至 6 月 24 日截止,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與!

報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn

環保局表示,新北市已連續 3 年辦理青年氣候論壇,建立與青年交流對話的平台,今(113)年更持續與紐約荒野中心(The Wild Center)攜手,號召青年以行動應對氣候變遷,培養青年成為氣候領袖。實踐淨零永續的道路上,青年的角色非常重要,去年新北市青年氣候論壇邀請到荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser,分享了許多紐約青年行動案例,像是大學生於學院頂樓設置太陽能板,實現「上課教室自主發電」的校園計畫,又如同學自發建立校園田園、自主提出畢業晚會減塑需求等,引起與會臺灣青年們的廣大迴響,提出許多問題進行討論。

新北市環保局「2023 新北青年氣候論壇」,邀請到美國紐約荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser(左 3),分享了許多紐約青年行動案例

環保局長期關注青年行動力,辦理「環保小局長計畫」、「永續未來學院」、「青年氣候論壇」等活動,致力推動全齡化的環境教育,今發布的「氣候行動團隊創意徵件」,進一步鼓勵臺灣「青」世代成為行動發起者,提出自己的問題觀察與創意解方,並真正落實行動,由青年自己決定從何處開始改變,即使是日常生活中觀察到看似微小的行動,都有可能在實踐後擴大影響到整個校園、社區,甚至整座城市。

環保局說明,氣候行動徵件邀請全臺高中職及大專院校學生,透過影像紀錄、實體行動、循環設計、社群媒體傳播等多元方式呈現創意永續行動提案,徵件至 6 月 24 日止,經初選後 4 組入選隊伍將在新北市展開為期一個月的短期氣候行動實踐,同時由環保局媒合專業導師進行線上課程,最後於 8 月「新北 2024 國際青年氣候行動論壇」進行決選,優勝的隊伍除可獲得獎勵金外,更能持續推展氣候行動並製成行動影片,影片有機會在年底紐約荒野中心青年氣候高峰會上進行分享,讓青年氣候行動與國際接軌。

環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與,徵件簡章及更多相關資訊可至環保局官網或「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站查詢。

※ 5/24 徵件線上說明會報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn
※ 環保局官網簡章:https://www.epd.ntpc.gov.tw/Article/Info?ID=11254
※ 「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站:https://greenage2024.com

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉自新北市政府環境保護局網站

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
224 篇文章 ・ 313 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia