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植物病原菌專題:皮爾斯病與加州的葡萄園

威.法
・2013/02/22 ・2740字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

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文 / 羅賓.帖康 (Robin Tecon)加州大學戴維斯分校 博士後微生物研究學家
譯 / 威.法

葉緣焦枯病菌3Xylella fastidiosa )可不是你所知道的普通細菌,牠可是二O一二年植物病原細菌的通緝要犯之一!(Mansfield, 2012.)這絕非空穴來風:葉緣焦枯病菌可以感染超過一百種的植物(葡萄、夾竹桃、柑橘、杏仁……),造成嚴重而且足以讓植物斃命的病徵。木質菌屬(Xylella)的細菌會在植物木質部的導管裡複製,因此堵塞了水份的輸送。缺乏水份的葉片如同烤焦般乾枯,最後落於塵土。

圖一、罹患皮爾斯病而凋萎的葡萄葉片。照片由PD-GWSS/CDFA慷慨提供。

在一八九二年時,加州第一位職業的植物病理學家牛頓.皮爾斯(Newton Pierce),首次描述了這個後來以他的姓氏命名的疾病,可惜他當時並沒有成功的分離出病原菌(葉緣焦枯病菌)。大約在十九世紀末期,一場由皮爾斯病(Pierce’s disease)造成的流行病,在洛杉磯盆地襲捲了上千公頃的葡萄園。南加州因此折損了大量的葡萄栽培產業;這就是為什麼今日加州的葡萄園大多分佈在北部。然而時至今日,除了砍除罹病的植物之外,我們仍然沒有任何治療方法!

皮爾斯病的散播和媒介昆蟲尖頭葉蟬(Sharpshooter leafhoppers)1,2 息息相關。葉緣焦枯病菌棲息在尖頭葉蟬的腸道裡,尖頭葉蟬在吸食葡萄汁液的時候,將細菌傳播到植物的木質部裡。(尖頭葉蟬棲息在北美洲和南美洲,目前沒有在歐洲被發現過,因此歐洲這個「舊大陸」的葡萄園得以倖存。)沿著加州海岸,皮爾斯病的散播則是仰賴藍綠尖頭葉蟬(Blue-green sharpshooter leafhoppers)1,2。隨著緯度越高、冬天越冷,尖頭葉蟬的活動力也隨之降低,皮爾斯病便不再是棘手的問題了。

圖二、葉緣焦枯病菌(Xylella fastidiosa)的桿狀細胞。照片由傑瑞米.沃倫 (Jeremy Warren)慷慨提供。

皮爾斯病在加州造成了超過一個世紀的流行病。然而,到了一九九O年代,一種來自美國東南部的新媒介昆蟲褐透翅尖頭葉蟬 (Glassy-winged sharpshooter)1,2 佔據了加州,而且嚴重惡化了疫情。褐透翅尖頭葉蟬和天然的媒介昆蟲不一樣,牠的吸食習性讓皮爾斯病變成了長期感染。由於皮爾斯病的影響,加州食品農業局在一九九九年資助了一項鉅額的研究計畫,該計畫由加州大學領導,向皮爾斯病的疫情宣戰。在二OO一年到二O一一年期間,由皮爾斯病控制計畫 (Pierce’s Disease Control Program;PDCP))籌備的研討會每年定期舉行,分享最新的研究發展,其中加州大學戴維斯分校的成果功不可沒。

如何才能控制這個疾病?其實方法很多!首先,控制傳播媒介褐透翅尖頭葉蟬。這個方法包括了使用殺蟲劑,但是生物防治似乎更有效。生物防治所釋放的寄生蜂,能在葉蟬的卵尚未孵化以前便將其摧毀,大幅度地降低尖頭葉蟬的族群。這個防治方法在加州大學河濱分校的入侵外來種研究中心研究卓著,他們有一段精采的影片來解釋這個議題:

加州褐透翅尖頭葉蟬危害回顧

另外一種生物防治法是為葡萄接種無毒或弱病原性的葉緣焦枯病菌。這樣的細菌只會在植物身上引發輕微的徵狀,但卻可以保護葡萄樹不被強病原性的菌株殺死。這項研究是由佛羅里達大學唐納德.霍普金斯(Donald Hopkins)的團隊所發現的成果。

許多關於葉緣焦枯病菌的生物學研究仍在進行,希望能從中發現控制這個細菌的新方法。葉緣焦枯病菌的基因體定序也已經在二OOO年完成,基因體的資訊包含了許多這個細菌如何致病的線索。關於葉緣焦枯病菌的分子生物學研究文獻如今已是汗牛充棟,傑出的研究團隊包括了加州大學戴維斯分校的布魯斯.科派翠克 (Bruce Kirkpatrick)、河濱分校的卡洛琳.魯伯(Caroline Roper)和柏克萊分校的史蒂芬.林道 (Steven Lindow)。(Voegel, 2012.

總有一天,我們會找到一個最好的防治方法來阻止葉緣焦枯病菌感染葡萄。但是目前加州沒有任何葡萄品種對皮爾斯病具有抗性。美國東南部有一些帶有抗性的品種,透過育種方法預期將可以讓加州的葡萄更具有抗性。這項計畫已經由戴維斯分校的安德魯.沃克(Caroline Roper)團隊完成,但是對釀酒產業而言,維持傳統的葡萄品種(如卡本內蘇維翁(Cabernet Sauvignon)、黑比諾(Pinot Noir)、夏多內(Chardonnay)等等)是很重要的一環,因為這些品種有良好的葡萄品質,並且滿足了市場的需求。

由於釀酒業者偏好傳統品種,遺傳工程也許可以在傳統育種之外,提供另一種選擇。目前已經有許多不同的轉基因葡萄正在接受皮爾斯病抗性測試,比如在我隔壁實驗室的鄰居,布魯斯.科派翠克團隊,研發了一種會在汁液裡產生凝集蛋白 (Hemagglutinin)的轉基因葡萄。這是一種源自於葉緣焦枯病菌本身的蛋白質,但是功能卻像分子膠水一樣,讓細菌在受到感染的導管裡聚集,並且限制了細菌在植物體內的複製。這株轉基因葡萄品種正在接受測試。

一樣來自戴維斯分校的阿布哈亞 .丹迪卡 (Abhaya Dandekar)引領著另一種有趣的策略。阿布哈亞的團隊研發了一種會在汁液裡辨識葉緣焦枯病菌的複合蛋白。複合蛋白的其中一部分是會辨識細菌外表構造的酵素,而另一部分則是會在細菌細胞膜上打洞的分解胜肽;兩個部分合作的結果可以有效殺死木質菌屬的細菌!這種新興的複合蛋白威力無窮,不只可以對付皮爾斯病,在其他植物或動物的病害上都有發展潛力。(Dandekar, 2012.)

多元化的研究為控制皮爾斯病的方法提供了諸多的選擇。歸功於許多葡萄園的長期努力,妥善的管理並在葡萄罹病初期就立即砍除,目前皮爾斯病的散佈已經受到侷限。但是要將葉緣焦枯病菌從十大要犯的名單中剔除,仍需要很多的努力。加州的科學家們正努力朝著這個方向邁進!

更多詳細資料和影片,請參考皮爾斯病-褐透翅尖頭葉蟬網站(PG-GWSS Board)以及皮爾斯病官方網站(Pierce’ Disease.org)。

參考資料

 

延伸閱讀

  1. 段淑人等。Xylella fastidiosa 的媒介昆蟲生態學與傳病機制。農作物害蟲及其媒介病害整合防治技術研討會專刊,第51-62頁。
  2. 蘇秋竹等。台灣葡萄皮爾斯病及媒介昆蟲研究現況。農作物害蟲及其媒介病害整合防治技術研討會專刊,第25-50頁。
  3. 葉緣焦枯病菌(Xylella fastidiosa。全球入侵外來種資料庫(Global Invasive Species Database )。
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威.法
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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

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結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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當人們對細菌一無所知、當醫生不洗手:生產,就像是去鬼門關前走一趟──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/13 ・1767字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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無知的代價:產褥熱

故事說到這裡,此時此刻,人們依然只能透過顯微鏡、放大鏡等工具,追尋微生物的芳蹤。當然啦,發現微生物是一回事,要確認這些微生物與特定疾病的相關性,並且證實它們的致病性與致病機制,則完全又是另一回事。

在那個對微生物一無所知的年代,該有多可怕?圖/envatoelements

然而,產業救星巴斯德先生在拔了一根草、測了測風向以後,敏銳的發現,風向是會改變的。在與微生物和疾病的永恆戰鬥中,人類也不會永遠的屈居下風。

巴斯德的重心,逐漸從化學轉移到微生物之上。他雖然不是醫生,也不是婦女,卻對婦女的生死大關特別有興趣。

在十八世紀到十九世紀之間,有多達百分之三十的婦女,會在生產後的「產褥期」,受到細菌感染而持續發燒,稱為「產褥熱」(puerperal fever)。

當時,產褥熱的致死率相當高,一旦受到感染,有百分之七十五的產婦可能會挺不過去,一手接生一手送死,悲傷的故事在醫院裡不斷上演。

被忽視的警告:「不要碰完屍體去接生!」

一八四三年,美國醫生霍姆斯(O. W. Holmes)在論文中提到,不少醫生會在解剖完屍體之後,再為產婦進行接生,這些產婦中,染上產褥熱的比例也偏高。

但是,當時的醫學界並不認同霍姆斯的觀點,將他的提醒當成了耳邊風。

進產房前,別忘了先寫遺囑!圖/聚光文創

與此同時,在著名的維也納大學醫學院中,匈牙利醫師塞麥爾維斯(Ignaz Philipp Semmelweis),正為了附屬醫院中,遲遲無法下降的產婦死亡率而苦惱著。

即使進行了詳細的大體解剖,塞麥爾維斯也無法找出產褥熱的原因,只能眼睜睜的看著產婦一邊期待著新生命的降臨,一害怕著死神將揮舞著鐮刀,收割她們的性命。

心痛的塞麥爾維斯,於是將目光轉向產房細節。他注意到,如果產婦居住在解剖室旁的產房,產褥熱的比例更居高不下;反觀助產士教學病房裡的產婦,死亡率就明顯較低。

塞麥爾維斯於是推測,或許在屍體中帶有某種毒素,經由負責解剖的醫生、實習生的雙手,在接生或產檢之際進入產房,造成了產婦的死亡。

只是洗個手,死亡率剩下原本的 1/4

一八四七年,塞麥爾維斯決定,要求產科裡所有醫生、實習生,特別是那些剛進行過大體解剖的小夥伴們,在為產婦接生或檢查之前,務必要用肥皂與漂白水浸泡、清洗雙手,並澈底刷洗指甲底下的汙垢。

果不其然,一個簡簡單單的洗手動作,就讓院內產婦的死亡率,從百分之十二下降到百分之三!可喜可賀!

即使塞麥爾維斯發現「洗手」就可以降低產婦的死亡率,但它的發現並未被醫界重視。圖/envatoelements

按照常理思考,我們可以大膽推測,接下來的劇情發展應該是:「塞麥爾維斯被譽為英雄,他所推行的洗手習慣,立刻被全世界廣泛採用……」

NO~NO~NO,塞麥爾維斯拿到的,可不是這麼簡潔、老生常談的劇本,故事尚未劇終,本章節依然未完待續。

事實上,他的重要發現並沒有受到醫學界的認可,連病房主任也說,死亡率的下降,是醫護同仁們用心禱告的結果,跟洗不洗手什麼沒啥關係。

不僅論點違背主流風向,許多醫生甚至覺得,塞麥爾維斯的說法,根本就是在說「醫生手很髒」或「病從醫生來」,對此,他們表達強烈的不憤怒與不滿。

讀到這裡,我們或許會覺得,只是洗個手,有那麼痛苦那麼難嗎?殊不知,即便是疫情當前的今日,對於這個倡導手部衛生的建議,依然有人會感到不滿與抗拒。

如此一想,一百多年前的醫生們不想洗手,好像不是多麼不可思議的事情了。

沒想到竟然連醫生都會不想洗手!圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 8 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

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據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。

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葡萄酒變酸了?這可不能忍!巴斯德揪出「乳酸菌」,成功拯救法國的釀酒業──《厲害了,我的生物》
聚光文創_96
・2022/09/12 ・2154字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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國安危機!為什麼葡萄酒變酸了?

在上一集中,我們聊到了十七世紀,荷蘭科學家 aka 手作達人雷文霍克,以他那充滿手工溫度的兩百五十臺顯微鏡,以及一百七十二塊鏡片,為世人展示了「微型動物」(微生物)的世界。

然而在雷文霍克之後,除了斯巴蘭札尼神父曾經投以關愛的眼神,做了一些相關的實驗與研究,微生物似乎逐漸被眾人遺忘。

一直到微生物學的奠基者,巴斯德(Louis Pasteur)的出現,微生物的存在終於開始閃閃發光。一開始,巴斯德是打算進行「自然發生說」的相關實驗,沒想到,一個可能動搖國本的問題卻找上了他。

巴斯德(Louis Pasteur)被譽為微生物學的奠基者,也是研發出狂犬病疫苗的科學家。圖/Wikipedia

在浪漫優雅的法國,飲酒文化與釀酒事業同樣歷史悠久,然而,當時的酒商與釀酒廠負責人卻天天急得跳腳,一點也浪漫不起來。

原來,釀酒這門手藝太過精細,只要一不小心,酒廠生產的酒很可能就會酸化變質,不僅造成商譽與營運的巨大損失,也會影響市場供應的穩定性。

生活不能缺少微醺的感覺,釀酒業的危機,簡直就是國安危機,巴斯德義無反顧的決定伸出援手。

於是,巴斯德拿出科學家的精神,仔細研究了整個釀酒過程,收集、觀察製程中,不同時間的發酵液,並且分析、比較這些酒液的不同。

經過一次一次的培養與試驗,巴斯德終於發現,在顯微鏡下,正常的發酵液中,有一種形狀圓圓的球體小生物(也就是酵母菌);而那些發酵失敗、變酸的酒液中,則可以看見一種又細又長的桿狀小生物(乳酸菌是也)。

乳酸菌平常也許是不錯的東西,但要是跑到酒裡面可就不好了。圖/envatoelements

抓出讓酒精變質的小小兇手

一八五七年八月,巴斯德發表了他的研究成果,這篇論文,可以說是現代微生物學的開山之作。論文中指出,發酵,是涉及某些特定的細菌、黴菌、酵母菌等微生物的活動。

這些研究不僅拯救了釀酒業,也影響著食品業與醫藥產業。當時的科學界一度認為,發酵與食物腐敗、傷口發炎等現象,是可以畫上等號的,因此啟發了一名外科醫師的抗菌革命之路(這段故事我們後面再聊,先賣個關子)。

回到釀酒業的危機處理之上,雖然揪出了讓酒變酸的凶手,但巴斯德的工作還沒有完成,還得找出一勞永逸的方法,才算是功德圓滿。

經過一番苦思冥想,巴斯德最後採用的是加熱滅菌法,這種方法,如今也被稱為「巴斯德消毒法」(pasteurization)。

我們都知道,加熱是個有效的滅菌方式,巴斯德將釀好的酒,短暫、而且小心翼翼的加熱,直到攝氏五十至六十度,藉此殺死那些可能讓酒變質的細菌。如此一來,不僅能讓酒長斯保存,也不會犧牲酒的口感,是不是很讚!

感謝巴斯德讓我們今天能喝到沒有壞掉的酒。圖/聚光文創

陷入絕境的養蠶業:蠶寶寶為什麼會生病?

感謝飛天小女警,啊不,是巴斯德的努力,一天又平安的過去了,釀酒業終於恢復了平靜。然而,一八六五年,法國農村再次遭遇危機。

雍容華貴的絲綢,是廣受貴族喜愛的高級布料,養蠶、攪絲、織布,也是當時法國農村的一大主力產業。沒想到,一種傳播快速、並且容易致死的疾病,卻在蠶寶寶界蔓延開來,蠶農們對此束手無策,養蠶業因此陷入絕境。

在昔日師長的建議之下,巴斯德決定投身於蠶病研究,為蠶寶寶尋得一線生機。

在此之前,他並沒有養過蠶,也缺乏相關知識。於是他動身前往法國南部,花了五年的時間,在第一線的蠶病疫區進行研究。

透過顯微鏡,巴斯德在病蠶的身體裡,發現了一些微小的病原體。

不曉得大家小時候有沒有養過蠶寶寶呢?圖/envatoelements

同樣的,溯源之後還得找出根治方法,巴斯德除了研究鑑定方法,以幫助蠶農辨認染病的蠶寶寶之外,也建議蠶農對病蠶進行隔離。

篩檢與隔離,加上選擇性育種與提高蠶群的清潔度,巴斯德提出的「蠶界防疫新生活」,不但拯救了無數蠶寶寶的性命,也讓瀕臨崩潰的法國絲綢獲得喘息。

在釀酒業與養蠶業分別取得成功之後,巴斯德於是將目光從經濟產業轉向醫療產業。

這些肉眼看不見的微生物,既然可能讓酒變酸,也可能讓蠶生病,是不是也可能引發人類的疾病?如果真是如此,只要知道如何躲避生物的攻擊,或許就能增加戰勝疾病的可能性。

大家努力待在家防疫的時候也別忘了記得動一動。圖/聚光文創

──本文摘自《厲害了,我的生物》,2022 年 9 月,聚光文創,未經同意請勿轉載。

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據說三人出版社就算得上中型規模,也許是島嶼南方太過溫暖,我們對出版業的寒冬始終抱持著浪漫與天真。 作者們說,出版市場很艱困,但我們依然想在翻譯領軍的文學市場中,為本土的作者、原創故事發聲。 喜歡做為升學孩子減輕壓力的書,不要厚重百科類型、沒有艱澀的專有名詞,很多重大發現的背後故事更值得我們好好品味。