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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。

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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。

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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。

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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
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嚴融怡_96
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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。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
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・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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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
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・2024/05/23 ・1247字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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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

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本文轉自新北市政府環境保護局網站

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溫室效應有救了?把二氧化碳埋進地底吧!  
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・2024/03/25 ・1389字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 台灣中油股份有限公司 委託,泛科學企劃執行。 

近年全球對於氣候變遷的關注日益增加,各國紛紛宣布淨零排放(Net Zero Emissions)的目標,聯手應對氣候變遷所帶來的挑戰。淨零排放是指將全球人為排放的溫室氣體量和人為移除的量相抵銷後為零。而「碳捕存再利用技術(Carbon Capture Utilization and Storage,簡稱 CCUS)」技術被視為達成淨零重要的措施之一。 

CCUS 示意圖。圖/INPEX CCS and CCUS Business Introduction Video 2022 

「碳捕存再利用技術 CCUS」是什麼? 

CCUS 技術可以有效地將二氧化碳從大氣中捕捉並封存,進而減少溫室氣體的排放。CCUS 包含捕捉、運輸、封存或再利用三個階段,也就是將二氧化碳抓下來,並且存起來或是轉換成其他有價值的化學原料。關於如何捕捉二氧化碳,可以參考我們先前拍的影片《減碳速度太慢?現在已經能主動把二氧化碳抓下來!?抓下來的二氧化碳又去了哪裡?》。 

至於捉下二氧化碳之後,該存放在哪裡呢?科學家們看上一個經過數千萬年驗證、最適合儲存的地方——地底。沒錯,地底可不只有石頭跟蜥蜴人,只要這些石頭中存在孔隙,就可以儲存氣體或液體。最常見的就是天然氣與石油。現在,我們只要將二氧化碳儲存到這些孔隙就好。 

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封存的地質條件也很簡單,第一,要有一層擁有良好空隙率及滲透性的「儲集層」,通常是砂岩。第二,有一層緻密、不透水且幾乎無孔隙的岩石,用來阻擋儲集層的氣體向上逸散的「蓋層」,常見的是頁岩。只要儲集層在下,蓋層在上,就是一個理想的儲存環境。 

臺灣哪裡適合地質封存? 

臺灣由東往西,從西部麓山帶、西部平原、濱海到臺灣海峽,都有深度達 10 公里的廣大沉積層,並且砂岩與頁岩交替出現,可說是良好的儲氣構造。 

至於臺灣適合封存二氧化碳的地點,有個很直接的作法,就是參考石油、天然氣的儲存場域就好,也就是所謂的「枯竭油氣層」。將開採過的天然氣或石油的空間,重新拿來儲存二氧化碳。而臺灣的油氣田,主要集中在西部的苗栗與臺南一帶,在 1959~2016 年,累計產了 500 億立方公尺的天然氣,和超過 500 萬公秉的凝結油。 

臺灣油氣田位置圖。圖/《科學發展》2017 年 6 月第 534 期
鐵砧山每年封存 10 萬噸二氧化碳(相當於通霄鎮 1/3 人口一年的二氧化碳排放量)。圖/台灣中油

而至今這些枯竭油氣田,適合來做二氧化碳的封存。例如苗栗縣通霄鎮的鐵砧山是臺灣目前陸上發現最大的油氣田,不只是封閉型背斜構造,更擁有厚實緻密的緻密蓋岩層。在原有油氣田枯竭後,從民國 77 年開始轉為天然氣儲氣窖利用原始天然氣儲層調節北部用氣的方式,已持續超過 35 年。因此中油也正規劃在鐵砧山氣田選擇合適的蓋層和鹽水層,進行小規模的二氧化碳注入,作為全國首座碳封存的示範場址。並同時進行多面向的長期監測,驗證二氧化碳封存的可行性與安全性。 

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更多詳細內容及國際 CCUS 案例,歡迎觀看影片解惑! 

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