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植物與昆蟲的萬年基因戰爭,與日本料理有何關係…

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根據2015年發表在美國國家科學院院刊 (Proceedings of the National Academy of Sciences) 的論文,紋白蝶 (亦稱菜粉蝶) 的幼蟲與十字花科植物 (包含白菜、青江菜、高麗菜、蘿蔔、芥藍、花椰菜、油菜、芥末、山葵等) 正在長期進行軍備競賽

雙方不斷升級自己的武器與防禦措施,當一方找出破解之道,另一邊便加強防堵。這場競爭的過程記錄在植物與昆蟲彼此的基因中,透過現在純熟的基因定序和篩檢技術,人類才得以一窺堂奧。

戰爭關鍵藏在基因中

紋白蝶幼蟲喜歡吃十字花科植物的的葉片,若下次你在賣場看到小白菜或白菜的葉片有小小的圓洞,八成就是紋白蝶幼蟲餐後的痕跡。當然,植物不喜歡被東咬一口西蛀一洞,因此會分泌硫配醣體 (glucosinolates) 獨立儲存於葉片。當幼蟲咬破植物葉片,硫配醣體就會釋放出來,並有機會接觸到植物細胞內一種稱為芥子酶 (myrosinase) 的酵素,產生化學反應。芥子酶會把硫配醣體轉為異硫氰酸鹽 (isothiocyanate),這種物質對許多昆蟲具有強烈毒性,效果簡直就像吞下炸彈一樣的迅速而徹底。不過紋白蝶幼蟲也不是省油的燈,一段時間後就會出現解毒蛋白。擁有解毒蛋白的幼蟲比較能存活,數量也會因此逐漸增多;此時植物又會演化出不同的毒素,擁有新毒素的植物也比較能存活,數量因此逐漸增多;接下來會再出現能解毒的幼蟲,不斷循環下去…… 。

戰爭帶來更美味的食物

異硫氰酸鹽對昆蟲是劇毒,但對人類而言是一種美味;例如日本料理中常出現的芥末或山葵的嗆辣感就是來自於這種物質。市面上各種不同的芥末和山葵風味,其實正是漫長的基因戰爭所醞釀出來的美味,因為隨著紋白蝶幼蟲愈能對抗植物毒素,十字花科植物就必須發展出各種不同異硫氰酸鹽並提高其濃度,最終才能創造出由數百種化合物交織而成的濃密風味,挑動我們的味蕾和嗅覺。此外,科學家也正利用植物發展出新毒素的機制,企圖提升植物抗病蟲害的能力,讓葉菜和農作物在不需農藥的情況下也能免於昆蟲的侵擾。相信以目前的科技研發能力,當人類選擇加入植物的這一方,紋白蝶幼蟲真的需要加把勁才有可能繼續維持現在的戰力平衡。

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生命總是會轉彎

更有趣的是,有一種寄生蜂會在紋白蝶幼蟲身上產卵,讓蜂的幼蟲在紋白蝶幼蟲體內孵化,並以紋白蝶幼蟲作為營養源一路成長。你可能會好奇,自然界這麼大,這些寄生蜂怎麼找上紋白蝶幼蟲的?其實就是追尋紋白蝶幼蟲吃飯或排遺中所釋放出來的異硫氰酸鹽氣味。而當紋白蝶幼蟲發現自己被寄生後,反而會投靠植物,選擇大量食用對自己和寄生蜂都有毒的植物,以毒殺蜂的幼蟲。看到這裡你會不會有一種想法:認為其實這一切都是基因和基因之間為了生存進行對抗,生物只不過是被基因呼來喚去的跑龍套罷了!?

參考文獻
1. Egder PP et al. The butterfly plant arms-race escalated by gene and genome duplications. Proc Natl Acad
Sci USA 2015; 112:8362-6.
2. 毛毛蟲與植物的軍備競賽如何帶給我們美味的佐料:
http://www.iflscience.com/plants-and-animals/evolutionary-arms-race-between-plants-and-butterflies-gave-us-wasabi-and-mustard

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