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蝴蝶蘭多采多姿的原因埋藏在它的基因體中

Phalaenopsis equestris (桃紅蝴蝶蘭)。圖片來源:wiki
對上圖的蝴蝶蘭有印象嗎?它是Phalaenopsis equestris(桃紅蝴蝶蘭),是菲律賓與台灣的原生物種。

雖然桃紅蝴蝶蘭也是很受歡迎的觀賞蘭,但是在市場上,它受歡迎的程度還不若台灣蝴蝶蘭(Phalaenopsis amabilis,俗稱台灣阿媽)。 不過,就在今天,桃紅蝴蝶蘭躍上了Nature Genetics的首頁。

Nature Genetics 2014/11/26 首頁。擷取自Nature Genetics

發生了什麼事呢?原來,由北京清華大學以及深圳的國家蘭花保育中心共同進行的蘭花基因體計畫(Orchid Genome Project),完成了桃紅蝴蝶蘭的基因體定序。 另外,台灣的成功大學、中國科學院植物研究所(Institute of Botany of CAS)以及比利時的根特大學(Ghent University)也參與了這項計畫。

會選擇它是因為桃紅蝴蝶蘭是蘭花培育上重要的親本植物。同時,這也是世界上第一個CAM(Crassulacean Acid Metabolism,發生於仙人掌科、景天科等植物中)植物的定序。

桃紅蝴蝶蘭有29,431個基因,內含子(intron,即基因裡面不產生蛋白質的序列,在轉錄後刪除)平均的長度為2,292個鹼基對(base pairs)。以目前定序過的植物來說,它的內含子的平均長度是最長的;至於為什麼這麼長呢?原來是因為裡面有轉位子(transposable elements)的緣故。

研究團隊發現,桃紅蝴蝶蘭有許多與自體不相容性(self-incompatibility pathway,阻止植物發生自花授粉)的基因,這提升了它的基因多樣性,當然也讓研究團隊在定序上分外辛苦。

研究團隊也在桃紅蝴蝶蘭的基因體內發現了多倍體發生的證據,這也解釋了為何蘭科植物表現出如此高的變異性,使它們成為地球上最大的幾個科的植物之一。除此之外,它本身存在著極多與花的型態發育有關的基因,包括MADS-box C/D-class(與雌蕊和胚珠的發育有關),B-class AP3 (與決定花瓣和雄蕊有關)以及 AGL6-class (涉及四輪花器的發育)基因等。由於蘭科植物的花型特殊,在花瓣發育過程中又演化出極具特色的唇瓣,這麼多花型態發育基因上的變異,也表示這群基因的差異性表現可以決定不同型態的花器發育型式。所以蘭花才會有這麼多采多姿的花朵呈現出來呢!

雖然蝴蝶蘭是很受歡迎的觀賞植物,似乎沒有絕種的危機,但其實戶外的野生蘭卻因為蘭花愛好者的採集以及人類的開發,造成許多蘭科植物都有滅絕的危險。許多蘭科植物生長在人跡罕至的雨林中(如印尼的蘇門答臘以及巴布亞紐幾內亞),當人類以刀耕火種(slash-and-burn)的方式來開闢雨林時,大量的原生物種甚至來不及記錄,就這樣消失了。過去「台灣阿媽」也曾經一度因為採集而幾乎絕種,幸而有心人努力的復育,至少將它保存在溫室中,不至於完全滅絕;至於野外是否能看到「台灣阿媽」這類的蝴蝶蘭?筆者不敢妄下斷語,但覺得應該是相當不樂觀吧!

最後要提醒大家的是,由於蝴蝶蘭是CAM植物,所以它相當耐旱;筆者常看到大家在收到送禮的蝴蝶蘭時,因為認為它是「蘭」所以就特意的維持它的水分供給,但是過度供給水分給CAM植物的結果,就是它很快就會香消玉殞喔!

特別致謝:慈濟大學生命科學系周帛暄老師補充有關花朵發育基因的專業知識。

參考文獻:

2014/11/25. Scientists completed the first orchid whole genome sequencing. Science Daily.



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