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全球暖化改變植物的雌雄比例

墨西哥纈草。圖片來源:wiki
纈草(valerian)是多年生植物,雌雄異株。纈草屬下有許多不同種類,其中的 Valeriana officinalis有鎮靜與抗焦慮的藥效。而墨西哥纈草(Valeriana edulis)原生於北美,從海拔1,600公尺到3,500公尺都可以看到它的蹤跡。

分佈的如此之廣的植物,當然會面對不同的氣候囉!畢竟海拔每上昇100公尺,夏季時會下降攝氏0.6度,冬季時會下降攝氏0.36度;也就是說,墨西哥纈草面對的氣候可以相差到攝氏十一度,同時雨量會增加,也會使得土壤的濕度上昇。根據洛磯山脈(Rocky Mountains)的氣候資料,每上昇100公尺,融雪的天數也會延後4.1天。也就是說,長在越高的山上的墨西哥纈草,面對的是更短的生長季節。

縮短的生長季節,對植物會有什麼影響呢?過去的研究發現,長在高海拔與中高海拔區域的墨西哥纈草的雌雄比例不大一樣。過去的研究發現,每上昇100公尺,雄株的比例就減少0.88%;從最低分佈區域的雌雄各半到最高分佈區域,雌雄比例已經來到大約3:1了(雄株比例為22.7%)。也就是說,或許溫度對纈草的雌雄比例會有影響喔!

近年來,全球暖化已經影響到許多動植物的生存,對於墨西哥纈草,既然溫度變化可以影響到雌雄比例,暖化是否也會對它們造成影響呢?

美國的研究團隊發現,在科羅拉多的洛磯山脈區域,從1978到2014年,氣溫平均每十年上昇攝氏0.21度。溫度的上昇帶動了雨量、土壤濕度以及融雪日期的改變,造成雨量每十年減少1.91 mm、土壤的濕度則每十年減少 1.5%、融雪日則每十年提前2.9天。

這樣的變化,不可能對墨西哥纈草沒有影響。研究團隊仔細觀察四大群的纈草,首先發現,過去四十年來,纈草開花的日期每十年提早了3.1日。接著他們發現高海拔區雄株的比例上昇了,而且是隨著暖化的程度,以每10年增加 1.28%的速度上昇。這使得高海拔區的雌雄比例由四十年前的 3.4下降到2.85(雄株比例由22.7%上昇到26%)。

雌雄比例改變,是否會影響植物的授粉率呢?由於墨西哥纈草雌株的花粉來源有90%來自附近十公尺內的雄株,雌雄比例改變影響到授粉的成功率,是很合理的。研究團隊觀察發現,在過去,最高區授粉成功率只有76%,而最低區的則有95%。以目前有的數據推算,若暖化的速率不變,到公元2100年時,在最高區的墨西哥纈草授粉成功率會提高11.2%,但位於最低區的,因為雌株已經是「花粉飽和」狀態,所以也不會再提高了。

授粉成功率上昇,造成的立即影響就是高海拔區的纈草群落會增加。由於高海拔區氣溫較低、生長季較短(也就是說資源較少),更多的種子意味著會有更多的纈草要來競爭有限的資源,是否會造成過度競爭以致於全部都長得不好呢?除此之外,研究團隊也發現,同樣是墨西哥纈草,雌株上面的昆蟲比雄株要多,而且有些昆蟲是只能依靠墨西哥纈草為生的,當高山上的雌株比例因為暖化而降低,是否也會造成這些昆蟲的食物減少呢?萬一這些纈草因為過度競爭都長得不好,是否會更進一步影響到這些昆蟲的生計呢?只能說人類活動造成了全球暖化,卻要全世界所有的生物一起來承受,要說是共業,對無辜受難的動植物們,實在太也沈重了一些吧!

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

William K. Petry et. al. Sex-specific responses to climate change in plants alter population sex ratio and performance. Science 01 Jul 2016: Vol. 353, Issue 6294, pp. 69-71 DOI: 10.1126/science.aaf2588

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為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

首先,我們來看一下氣候。陶淵明隱居的地點在潯陽柴桑,也就是現在的江西省九江市星子縣。當地是北緯29.44度,在北回歸線以北,屬於濕潤型亞熱帶氣候(2),1971-2000的年平均溫度為攝氏17.03度,每年四月就不再有攝氏零度以下的低溫(3)。雖然還是比臺灣偏北(台北市是北緯25.02度),大致上還是屬於溫和的氣候,植物的種類應該也不會相差太多。即使考慮近年來全球暖化的問題,應該也不會超過攝氏一度(4)。

在亞熱帶的台灣,夏天通常並不是植物茂盛生長的時期。為什麼呢?因為世界上90%的陸生植物是C3植物,這些植物在氣溫超過攝氏30度時,會因為光呼吸作用(photorespiration)造成水分的消耗大量上昇。C3植物(如大豆)在攝氏30度時,每抓一個二氧化碳分子就要消耗833個水(5),於是植物的生長速度就開始變慢。

不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

原來玉米與甘蔗是所謂的C4植物,它們既耐熱又耐旱,跟C3植物比較起來,在攝氏30度時C4植物每抓一個二氧化碳的分子只消耗277個水(5),所以夏天的時候,它們的生長速度ㄧ點都不受影響呢!
說到這裡,讀者可能會想:什麼是C4植物?為什麼它們能夠既耐熱又耐旱呢?
所謂的C3、C4植物,指得是它們在光合作用上的不同。C3植物進行光合作用時,是由卡爾文循環(Calvin cycle)的酵素(RuBisCo,如圖二)直接抓取溶解在細胞中的二氧化碳,與核酮糖1,5-二磷酸(ribulose 1,5-bisphosphate,RuBP)進行反應;


而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


原來,C4植物多半都生活在亞熱帶或熱帶,在這些氣候區,植物進行光合作用時,會遇到一個大問題。

這個問題來自於卡爾文循環的第…

【原來作物有故事】麵包樹 熱帶果實引發電影傳奇

第一次聽到麵包樹的名字,是在小學的校園裡。當時老師說麵包樹雖然果實真的長得像麵包,但因為台北太冷了,原生於熱帶的它沒辦法在台北開花結果。

後來在花蓮當老師時,發現學校餐廳夏天有時會出現一種特別的蔬菜湯:裡面有黃色果肉、白色種子的「菜」。在地的同事告訴我,那叫做「巴吉魯」,也就是麵包樹的果實。

花蓮的夏天總是不缺「巴吉魯」,不只市場裡有賣、有些人家的院子裡就有麵包樹。在地的朋友說,成熟的果實削皮切塊加點小魚乾煮湯很好喝,長不大的果實(雄花花序)用來燃燒驅蚊,據說比蚊香還有效。

麵包樹是桑科波羅密屬的多年生大型喬木,花為單性花,雌雄同株;果實是由30-68朵雌花所形成的多花果。麵包果通常在採收後五天到一週內食用最好吃,如果冷藏可以保存二到三週。

目前的研究認為麵包樹源自大洋洲新幾內亞、馬來半島、與西密克羅尼西亞。台灣的麵包樹原生於蘭嶼。在蘭嶼,麵包樹稱為“chipogo”,達悟族人用於製作船首、船尾板、坐墊,及住屋用的宗柱、主屋之踏腳板與木笠、木盤等用具,而分泌的乳白色汁液具黏性,可以當作粘接劑。

達悟族較少食用麵包果,倒是台灣東部的阿美族與太魯閣族經常拿麵包果來吃;不過太平洋群島上最常見的吃法應該是將麵包果放在鋪了葉片的坑洞內發酵成可以放二、三年的「果醬」。由於太平洋群島夏季常有颱風,這些「果醬」對各地原住民們是颱風後很重要的緊急糧食。既然麵包樹這麼重要,「南島語族」(包括台灣的原住民)不論坐船到哪裡,總是帶著麵包樹的種子。所以,麵包樹在太平洋各群島上是常見的風景。

第一個看到麵包樹的歐洲人應該是十六世紀末到十七世紀初的葡萄牙航海家佩得羅‧費爾南德斯‧德‧基羅斯。比他晚將近一百年的英國航海家威廉‧丹皮爾船長,他提到麵包樹的果實可以烤來吃。

到了十八世紀,麵包樹突然搖身一變成了「神奇糧食」。到底發生了什麼事呢?原來在1769年與庫克船長乘「奮進號」的英國植物學家班克斯爵士在大溪地看到了麵包樹,因為麵包樹的果實約有四分之一為澱粉、在熱帶地區又長得很好,使班克斯認為麵包樹可能是解決英國在牙買加殖民地奴隸營養問題的解答。於是在1787年,英國皇家科學院派遣邦迪號前往大溪地收集麵包樹帶到加勒比海群島種植。為了這個目的,船上還有一位隨船的植物學家大衛‧尼爾森。

原訂於8月16日出發的邦迪號,因為一連串的延遲,最後終於到了大溪地、收集了足夠數量的麵包樹以後,卻在因為船長布萊一路…

通風報信的植物

植物受傷時會有什麼反應?過去的研究讓我們瞭解,當植物被攻擊(受到病原菌感染、受傷)時,會釋放出揮發性有機物質(VOCs,Volatile Organic Compounds),讓自己以及附近的植物啟動防禦機制。這個作用有點像古代的烽火臺,當敵人來襲就燒起狼煙,附近的人看到狼煙就知道這裡出事了,要加強戒備。

不過,當附近的植物感應到VOCs時,它們會如何加強自己的防禦機制呢?過去的實驗發現,當植物的地上部位受到病原菌感染時,會傳遞信號給自己的根,接著根部的鋁活化蘋果酸運輸蛋白(ALMT1,aluminum-activated malate transporter)便會活化後釋放蘋果酸(malate)到土壤中來召喚枯草桿菌 UD1022(Bacillus subtilis UD1022)這隻植物的益菌。這些現象是否不僅僅發生在苦主、也發生在附近的植物身上呢?

康納(Connor Sweeney)和他在德拉瓦大學的指導教授,最近發現:不只是受傷的植物本身會進行這些防禦機制、附近的植物也會呢!

康納是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因為對科學有興趣,寫了e-mail給德拉瓦大學(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表達希望能進他的實驗室學習。當白斯老師回信說「OK」的時候,康納高興得不得了。

於是他就開始了他的實驗室生活:下課後、週末以及暑假,康納都在白斯老師的實驗室裡種阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。雖然他也是高中的游泳校隊,但他盡可能地投入時間作實驗。

成果是豐碩的。兩年後,康納在白斯教授的指導下,解出了植物接到鄰居的「狼煙」以後,接下來做了什麼;他們的成果發表在2017年的「植物科學前鋒」(Frontier in Plant Science)期刊上。

以一個高中生來說,這可是個非同小可的成就;康納不只是付出了許多努力,他也細心觀察每一個實驗。因為他夠細心,所以才沒有錯失了重要的發現。

這個重要的發現是什麼呢?有一天他如常地進行實驗:把一株阿拉伯芥用鑷子弄了幾個傷口,準備明天觀察它的反應。不同的是,這次旁邊有一株阿拉伯芥沒有被他弄傷。

第二天他看到了令他不敢相信的結果:旁邊的阿拉伯芥的主根變長、而且還長出了不少側根。

於是他們做了更多測試。他們發現:旁邊有受傷的伙伴的小芥們,主根生長的速度大約…