郭華仁教授講植物的光週期性

pdf
1.43 MB
侵權投訴
加載中. ..
PDF
米活
科普講座系列
科普講座系列科普講座系列
科普講座系列
︰植物的光期性
植物的光期性植物的光期性
植物的光期性
演講人︰郭華仁 / 臺灣大學農藝系名譽教授
演講時間︰民國 104 9 5 日(星期六)上午十時
演講摘要
演講摘要演講摘要
演講摘要
陽光是一切生命的泉源,提供了整個地球的生產者—植物—在
生長各個階段的需求。植物的一生之中,從種子發芽,植株生長,
至開花結果,陽光都扮演了重要的角色,本演講的內容,即在於介
紹:何種波長的光會影響種仔的發芽;兩種不同的光合作用方
下,植物進行葡萄糖的合成;以及日照長短如何影響植物啟動開花
的機制。地球上的植物由於演化的作用使得其受光影響的反應也不
同,各種植物演化出與光不同的互動,而呈現植物多樣性的面貌。
退休後的首場故事開講
退休後的首場故事開講退休後的首場故事開講
退休後的首場故事開講
自退休前的最後一堂課—用台語講授「植物與文明」,匆匆已
了三個月。退休的人比較適合講故事,所以我今天要跟各位分享的
是:偉大的科學家、昔日植物與光的學術研究,以及植物與光的關
係。
在說故事之前,總要先了解我們地球誕生的演變。地球孕育了
生命,慢慢的藻類演化出來。藻類屬比較低等的植物,然後植物登
陸,松柏等裸子植物,然後是被子植物。在人類出現之前,地球除
了有海洋、也有高山,陸地大部份都被綠色的樹木所籠罩,現代人
約十萬年前出現,約一萬年前發明農耕。約一千年前舊世界中,東
西方的往來貿易非常頻繁,這是第一次的物種大交換。直到 1492
哥倫布發現大陸以後,第次植物種源的大交換於
番薯番麥馬鈴薯鳳梨瓜或芭樂等陸續傳到我們東方來。
水稻小麥也從舊世界世界。歐洲人在大海時代始累積
財富後,就展開了文藝復興動—文藝復興運代科學
要的一源,直至十六世、十代科現。
PART
PARTPART
PART
1
11
1
偉大的科學家們
偉大的科學家們偉大的科學家們
偉大的科學家們
Stephen Hales 開啟植物研究史之
紀初學者 Stephen Hales1677~1761)戮力研究植物
十年後, 1727植物靜力要在探討植物如何
吸收水分。其中我特別感興趣 Stephen Hales 的一
句話「光既能探發育中葉表無礙不也可能貢獻榮耀
植物體?意指線對植物的生長有重要的,這一
我們代人聽起來是什麼問題有光就沒有植物,是在
時科學初萌,科學家需要花一段長的時才能體會出其
。光合作用的研究不是從 Stephen Hales 嚴格
1676 Antoni van Leeuwenhoek 已使用很簡單顯微鏡,發現
內有澱粉
Leeuwenhoek 顯微鏡觀察物之前,1666 牛頓寫
《OPTICKS》(光學),講到光的本東西。牛頓代科學非
常重要的一位科學家他利稜鏡光源稜鏡把分解
七彩、綠、(即光
Leeuwenhoek 是用這樣的道具製做一個簡單顯微鏡,進而
觀察植物葉片內的澱粉粒至於能夠把澱粉粒的同心圓構造
能加描述,這在個年代是簡單的。澱粉粒就是植物天行
光合作用所產生的儲存葉肉細胞裡面。
Joseph Priestley 翻燃素理論 發現氧氣
為什麼點火就燃燒起?當燃素理論有一
元素燃燒Priestley(1733~1804)用實驗證
明其是有一個東西在不會起火
物即是「氧氣的日文酸素,是直從「」的翻譯
出來的 OxygenOxy 意思gen 是生
長。氣英 HydrogenHydro ,所以氫氣氧氣結合
會產生H
2
OPriestley 有一非常有名的試驗:用玻璃圈養老
若裡擺放色植物,照了光老鼠不會,不照光就無法
。我們現在知道這是植物吸收進行光合作用,而
讓老鼠以生。這當初 Priestley 貢獻他推翻
燃素理論,在科學重要的案例人,
Priestley 善心經想做實驗農民,當權卻誤
認他好懷好意把他送斷頭台,偉大的科學家就此殞落,所
幸他的研究理論等整下來,後人
偉大
Priestley 的追隨 Jan Ingenhousz
Ingenhousz(17301799)Priestley 的影響,開研究
植物如吸收二氧如何氧氣,以及光照其的影響等
等,陸續證Priestley 論點如:發現到
,多由下方氧氣對氣的分以研究。日後
隨著學的進與其科學家的研究,方知道來是的下
有比較多的,上則少有。
Jean Senebier 量化光合作用與二氧化碳的關
Senebier(17421809)著手究光與光合作用的關係
調整不同的光研究光光合作用的關係。光照的
強度大於大於下天。發現光越強
多,光合作越旺盛過解學,
光合作用的所在葉肉細胞進一二氧吸收
現出來,換之光合作用與二氧間有一固定
化關係。
葉綠素的發現者 P.J. Pelletier & J.B. Caventou
Pelletier(1788~1842) & Caventou 位學者在 1818年發
葉片內的化合物即是但當化學分能力尚未
,直至 1864 知葉片出來的這。我們現在知道
除了胡蘿蔔
J.B. Boussingault 大突破找出光合作用化學反應式
Boussingault 到光合作用的本化學反應式:6二氧
12 分,變成 1 個葡萄糖、66氧氣分子,一重
突破光與光合作用的化關係得以有6CO
2
+12H
2
O+
C
6
H
12
O
6
+6O
2
+6H
2
O
T.W. Engelmann 巧妙探索到作用光
與光合作用的關係後,1882 Engelmann 了解不
同波長的光植物光合作用的影響。他將稜鏡折射出來的波長
區域、綠、在藻類上,然後用了
一個非巧妙的方好氣細菌和養此藻類,結
現照光大多出現在區域部份區域,綠色部
分最而了解光合作用有一個作用Action spectrum
是不同的波長光合作用貢獻能力各有差異。有時科學研
非得有東西一個,都以得
到一個非常的結這個實驗就例證
前已有先進的科學能實二氧吸收
綠光,植吸收二氧能力是照時,植
能夠吸收二氧。除了作用光
植物的是一種色,會吸收不同的光波,其與作用光
,一樣在光之吸收是在綠光的地方
非常,都出來,即我們到的葉片多呈現綠色的
諾貝爾獎得 Melvin Calvin
1930 年代,生化學的研究蓬勃Melvin Calvin 發現到
一個重要的化學反應循環 Calvin cycle 碳循環,而
貝爾獎碳循環我們人非常重要,我們所吃食物中的澱粉
如何分解成葡萄糖,如何從葡萄糖分解出出來,
學反應便是三碳循環Calvin 臺灣,在動中的大堂發
演講。
PART
PARTPART
PART
2
22
2
昔日植物與光的學術研究
昔日植物與光的學術研究昔日植物與光的學術研究
昔日植物與光的學術研究
光合作用的光反應與暗反
我們光合作用一部機加入原料二氧
過六次產生一個葡萄糖。天有陽光的時,會一直
,這Calvin cycle(三碳循環麼力氣可
二氧在一,這在工廠,植物卻能
?此力氣ATP—這是生物面的來源。光照到葉片
葉片吸,用來 ADP換成 ATP就儲有化學。在
反應中,ATP 來進行碳循環變成 ADPADP
又回吸收變成 ATP,如,這是光合作用的光反
應與反應
C3 型植物(三碳型植物)
番薯水稻等植物體利用三碳循環製造養分,即碳型
植物(C3 plantsC3 植物的葉肉細胞分成兩種,一是柵狀組
排列比較緊密長方一是海綿組織排列
為什麼會有這樣的構造綿組織柵狀組織的下
?道理很簡單,如排列讓氧氣二氧自由串流使各
葉肉細胞二氧產生葡萄糖。儲存葉肉細
分,如何運送到植物各部分來是篩管
分,管則送水分,導管篩管貫通植物體裡面,好像
一樣,維管束面有一細胞把它維管束鞘C3
植物的管束鞘缺少有光合作用的能力保護
維管束的作用而已。
C4 型植物(四碳型植物)
1974 兩位科學家發現的光合作用與一的植物不
一樣,光合作用反應的第一個產物不是三個
的研究類植物四碳型植物C4植物玉米
等也都四碳型植物。這類植物也有細胞但葉肉細胞
柵狀組,最重要的維管束鞘非常大且含,有光合作
用的與三碳型不一樣。C4物的葉肉細胞
進行的不是三碳循環,而是四碳固定把二氧合成四碳,然
四碳酸送維管束鞘細胞二氧,進行三碳循環
合成葡萄糖,直接把葡萄糖篩管到其部位。
碳循環吸收二氧碳固定成葡萄糖在光合作用的
時,植是需要,一葡萄糖二氧碳釋
來,合作用的四碳固定所用到的素吸二氧
能力很點點就能有作用,所以本不
讓二氧有機會,換維管束鞘呼作用所
二氧葉肉細胞固定四碳回維管束鞘所以比
較不會費二氧,光合作用效率然比較。C3 對二氧
比較必須二氧濃度到了一程度會有
作用。
1 是一個玉米葉片維管束鞘有大有有光合
能力,比的是上大的機動細胞,而下
有。我們不給玉米澆也不下,最後會如何
之前,葉片一樣來,為什麼?這個是機動細胞
有光合作用能力卻儲存很分,等到來源
有了,機細胞分而變,如
葉片就來。所以有植物的葉片來,在於機動
在。
1 C4植物玉米葉肉細胞構造
CAM 植物
除了 C3 型和 C4物,一種植物 CAM 的植物,
如:、多植物沙漠物等,這類的植物常都長在
比較的地。在的地假設一直開天要
光合作用,葉片內的分會經氣孔跑掉,如的。所以
沙漠物、多植物葉片充滿,也發很特
的光合作用方,也天不行光合作用的應,要在
行光合作用的反應。也陽了,
開,進來,進行四碳反應。植物,上的
會提高,等到天時把氣來,這個時四碳
不會而是由肉細胞反應,出葡萄
糖,所天也會產生葡萄糖,是不是直二氧得來
是由上所固定四碳而來的,CAM 植物的性。
耐陰型植物
植物的影響,除了光有光,植物常分兩大
類,一是陽性的,耐陰植物。一種在面的都是
性,陽越強光合作越盛是到時,光
有作用的,一光飽和C4植物比較高,C3 物比較低
耐陰型的植物了,在的光之下即達飽和高反
而會使植物受傷害花在天易受天的陽光所
非常有名的耐陰性植物—山本來是附著在樹上生長的類植
物,地來種,一黑網遮陰為它的光
低的關係
何謂 C/N ratio(碳氮比
什麼C/N ratio碳氮植物吸收面的來供
生長,而光合作用是吸收中的來產生葡萄糖。植物株時
吸收光合作用的,所以碳氮會比
較低,不會開花。等長大了,葉片多、光合作用
製造碳越,植物的碳氮較高,高到一個
程度它就會開花期的學者用來解為什麼
期不會開花,長大了以後。然而這理論很多時以解
然界的開花現
植物的開花特性
以大為例種後,先長出來的是子,直至第 6
生出分開花前屬生長期,出花芽、開花,
生長,陸開花結果。生長期在長葉片
一個程度後不長出葉片,而是出現花芽,什麼會從這個地
方會長出花芽看另一個玉米,長至第 5、6時,
端包覆葉片內,了,這是
部在下,有出,出假莖香蕉假莖樣,由
中的芽不地長葉片長到一段時間後,變成一個花,最
抽穗
植物的開花,在營養生長時長不高,葉片層層堆疊
在一:高麗菜片片來,與的的中間是
間,間非常短,所以整個葉片生在一的,這營養
長期的是等到生生長的時玉米一樣,高麗菜
間會開,開以後會長花。一個植物一
要到一段時間以後,會開,開花結果。
光週律的發現者 Garner & Allard 揭開植物開花的奧秘
講到植物的開花,「光週律」一是關,而發現者是
Garner & Allard(1920 年)用的農作物要是大
等。時在國大新興農作物,現在國的已高
球之跟大一樣常農人是種,天長,然後
天開花結果,是在實驗實驗天所種盆栽一下子
花,種在的,長了葉片但是要等到
花。何天種在子容易開花,天種的延遲開花
C/N Ratio 有關此他用演假設 C/N Ratio 理論
的,時在分的,應延遲花,
的結果發然植物內的碳氮低了種後不
是開花然不是土壤分的故,那麼?他
實驗與不同的開花。
不是分不分,季溫開花於是
天在溫室內來種,高,即開花,天的
也不是進開花質或?實驗結果兩者也都
不是。所有的自然過,都不是原因下的就只
了,也天日短長。是不是比較短此他們在
長光照光來長。上得到
來在短日長,大菸草以在開花,反過來,
調成短長日不開花。於是自 1920 因著
Garner & Allard 文,整個植物窩風
進行光試驗,大家了解為什麼開花
PART
PARTPART
PART
3
33
3
植物與光的關係
植物與光的關係植物與光的關係
植物與光的關係
植物不有短日性、長日性、有日中性是不受日長短
影響)即使是長日的後來才知道日的長不是重,重的長
,所以長日、短日植物其期的名,照道理長日植物應
「短物」,短日植物應「長植物」是有一長日植
物一要短會開花是有一卻沒那麼
長日比較容易開花,非是性的,樣的下比較容
易開花了。問題同樣的農作物,也是同樣的洋馬鈴
都在種,地方有不同的,所以種到最後,有時
作物不同地種,光的反應都不一樣,如:洋馬鈴薯
有一些則是長日性容易開花,有一是短日性容易開花,
反,有一是中性的,個光照,所以
臺灣之光閃耀田尾菊花海
在高公路搭車化,看田尾菊花生產
漂亮海,一人會說農人辛苦要照讓它光合作
用,其不是光合作用而是制開花為什麼制開花
秋菊是短日植物,我們臺灣的花大都到日本, 4 、
5 月大的時都要拜祖先,便由臺灣進。所
以花農天的時即要種植花,天種了不多開花,
所開的商業價根據週律,農
人在上照 12時,彷彿於短天,不會開
花,一直長高。直到明年要了前一兩個月照光,
於短日開花的 2 月,由於營養生長期經累積分,
會開出比較有商品價的花。我們週律
花,即在
長日性植物
長日性植物長日性植物
長日性植物(
(開花絕對需要短夜
開花絕對需要短夜花絕對需要短夜
開花絕對需要短夜
小麥、長花、
蘿蔔
長日性植物
長日性植物長日性植物
長日性植物(
(短夜容易開花
短夜容易開花短夜容易開花
短夜容易開花
小麥、高萵苣矮牽
長日性植物
長日性植物長日性植物
長日性植物(
(短夜下容易開花
短夜下容易開花短夜下容易開花
短夜下容易開花
,但有些品種例外
但有些品種例外但有些品種例外
但有些品種例外
馬鈴薯 、洋
草莓
短日性植物
短日性植物短日性植物
短日性植物(
(開花絕對需要長夜
開花絕對需要長夜花絕對需要長夜
開花絕對需要長夜
:大番薯、一
三色
水稻性的,也有不同的種,然後這
跟日長有關係的,甘蔗比較天照光 12 14
會開花,低於 12 14 時都不會開花
有趣的光週小測驗
我們來驗收一下今天的成果。前短日植物
植物, 11 時,不到 11 時,不會
開花。另外長日植物是短植物, 9 不開
花,24 時。
現在有 6情境,其中 4 個是天,2 個是天(2)
情境
情境情境
情境 1
11
1
正常的冬天
正常的冬天正常的冬天
正常的冬天14 時,大於 11
情境
情境情境
情境 2
22
2
有處理的冬天
有處理的冬天有處理的冬天
有處理的冬天照光 2 時,使8
情境
情境情境
情境 3
33
3
有處理的冬天
有處理的冬天有處理的冬天
有處理的冬天8 時後,即照光 6 時,使
8
情境
情境情境
情境 4
44
4
有處理的冬天
有處理的冬天有處理的冬天
有處理的冬天6 時後,照光 2 時,
12
情境
情境情境
情境 5
55
5
正常的夏天
正常的夏天正常的夏天
正常的夏天8 時, 11
情境
情境情境
情境 6
66
6
有處理的夏天
有處理的夏天有處理的夏天
有處理的夏天8 時,6 時,
12
2 光
現在 1~6假設是短日植物的一個會開花
1 6會開花,大於 11 時,4 也是大於
11 時,何不開花中間被光中,所以不開
花,這也是田晚上不用費很子, 12
鐘左右照光 1 2 便到不開花的了。
神秘的開花激素(Florigen)
多科學家前地進行光週律實驗其中有一非常有
實驗短日植物在不開花,但將一個遮陰要一個
葉片於短日,即使在天整株也都以開花。科學家認為
一個化學物導引不合適的部位,讓它
能夠開花物即是「開花的一位學 1930 年代便
提出開素理論的光下植物會產生一開花的
開花到植株部位。
今,科學家們未找物,所以是一個生概念。不過
年,開基因學的研究已有尚待學家們研究與
探討
種子的發芽與光
光敏感性(photoblastism
,有多的學者種子需要
不需要光 1926年各方學者已 930 種之種子的發
芽與光有關,其中有 672 受光的發芽, 1965 年「光
性(photoblastism」這個名出現,用來需光性的種
子、光性的種子、光中性的種子。需光性
、長等,光性的、反花等。農作物一
都是光中性的,光照與發芽有關係
為什麼光照會影響發 1935 年,世界大時,國農部的
科學家——三,光源過光三稜鏡把
個光波產生出來,照到種子,然後測定光波之下,比較
容易發芽,一下就做出來了。在發芽分之
光以後的波長下不發芽此論文發後,可能
的研究。
種子發芽的開關 光敏素(Phytochromes)
世界大後,1952 年同研究的一位化學家學家
接續行這個試驗35 代的試驗指出從 600 660mµ都有進的
果,一個波長真正?卻沒。學者
的照光,除了波多了照光時間的一個波長
受光的時間是不一樣的,時間長種子所受到的光大。
們發現發芽所需要的光與波長有關,660mµ
分之果,600mµ比較560mµ大的
才可分之十,660mµ680mµ時一下子需要
的光分之690、700mµ多的光也不
會發芽
同樣地制發芽分之十所需要的?試驗
出在 730mµ時,一點點的光就能制發芽, 660mµ
發芽(光,我們得到)的光,730mµ我們眼睛到的
Far-red Light)是制發芽的光
然這樣的波長會影響到發芽,們進一660 730mµ
這兩者非常有試驗是照一種光以後立刻另外一光來
照這種子,如不同光,結果發現,互換了次,
發芽被制的都是最後照光的,最後照光者芽。
光是進,光是?他上提出一個理論
是有色吸收不同的光,一是 660mµ一是 730mµ
不是兩個色,而是同樣一個色,在照光的時候它馬上變成另外
一個變成另外一個此就可以解為什麼
來變的時上會的作用。後來
PhytochromesPhyto 植物,chromes 色,即植物的色
譯為「光示該光照的反應非常敏捷Pr
Phytochromes red制開花,照660mµ候就
PfrPhytochromes far red)而進開花、發芽。Pfr
730mµ迅速Pr運氣,在 1958有學
中分出光PrPfr兩者的色不同。
以研究種子的比研究開花的好很多,
了,這個是光。光素吸收個課複雜,我們
不在
種子的春天
各位都知道森林內比較不容易為什麼?此遮陰
關係,為白天的較 660mµ的波長,730mµ,前葉片
時,部被遮掉了,730mµ 有被遮掉。在樹
canopy下的整個都是光的,所以光性的種子在
森林比較不容易發芽。
陽大人有一首詩<>,大是說:種子開花結果,花
漂亮的,是種子假設一直上面,過了一子以後
的花都會,然後都會蜜蜂也不來了,種子不
會這樣,種子一合適自地,
面,發的生命問題,上面有
葉片,除非拒絕,種子才能來,
發芽變成一個的植株。所以過種子生
學,察力卻是非常可觀!請見詩篇
文)
郭華
郭華郭華
郭華
教授
教授教授
教授
聯絡
聯絡聯絡
聯絡式:
whjkuo@ntu.edu.tw
http://seed.agron.ntu.edu.tw
http://gmo.agron.ntu.edu.tw
小百科
小百科小百科
小百科
光有兩種,日光鎢絲燈
兩者綠色光都較多,用來照植物會費很,所以植物要
光源時,綠光的植。現在的 LED 植物
不用綠光,光能利最高。
記錄 / 蔡嘉惠
/ 張釉芳
本名林淇瀁
詩篇文:
除非毅然離開靠托的美蘭花冠
我只能俯聞到枝枒枯萎的聲音
一切溫香,蜂蝶和昔日,都要
隨風飄散。除非拒絕綠葉掩護
我才可以等待泥土爆破的心驚
但擇居山陵便緣慳於野原空曠
棲止海濱,則失落溪澗的洗滌
天與地之間,如是廣闊而狹仄
我飄我飛我蕩,僅為尋求固定
適合自己,去扎根繁殖的土地
收藏 ⬇️ 下載