從基因體視角探索竹子（Bamboo）的演化奧秘

 

草本竹子Olyra latifolia。圖片來源：維基百科

你知道全世界除了歐洲以外，都可以找到竹子嗎？尤其在亞洲，那是竹子的大本營，其次是中南美洲、非洲。全世界有一千六百種以上的竹子，分布在一百二十一屬中。

這些竹子，從極大的巨龍竹（Dendrocalamus sinicus）到小小的草本竹子，都是禾本科的植物。但是，它們的型態為什麼可以差這麼多呢？

最近有一個研究團隊，想瞭解不同的竹子為什麼可以有這麼大的差別，於是，它們選取了十一種竹子。這些竹子有兩種是草本，九種是木本。

更有趣的是，草本的竹子都是二倍體，而木本的竹子有些是四倍體、有些是六倍體。這些竹子包括：

草本竹（二倍體）
1. Olyra latifolia
2. Raddia guianensis

溫帶木質竹（四倍體）
3. Ampelocalamus luodianensis
4. Hsuehochloa calcarea
5. Phyllostachys edulis (毛竹)

新熱帶木質竹（四倍體）
6. Rhipidocladum racemiflorum
7. Otatea glauca
8. Guadua angustifolia

古熱帶木質竹（六倍體）
9. Melocanna baccifera （梨果竹）
10. Bonia amplexicaulis
11. Dendrocalamus sinicus（巨龍竹）

這十一種竹子涵蓋了從草本到木質化的不同演化階段，提供了獨特的視角來研究竹子基因體的演化、多樣性及其在環境適應上的策略。藉由對這些不同倍數級別和生態類型的竹子進行比較，研究團隊試圖了解多倍體化過程中基因體的動態變化、亞基因組間的互動以及這些過程如何影響竹子的生物學特性和適應性。

研究團隊首先解析了十一種竹子基因體的序列，透過對這些基因組的分析，研究團隊發現所有木質竹的四個亞基因體（A、B、C、D）以及草本竹的H基因體。這些基因體的分析顯示，竹子在其演化過程中保持了驚人的染色體穩定性，儘管存在染色體的裂解和融合事件。 多倍體常常會有所謂的「基因體優勢」，也就是說當兩種不同的植物雜交產生多倍體後代後，其中一種植物的基因的表現會特別強勢。在竹子，研究團隊也觀察到了這個現象。在木質竹中，C亞基因體在四倍體竹中展現出優勢，而在六倍體竹中，隨著時間的推移，優勢可能從C亞基因體轉移到了A亞基因體。

這種亞基因體的優勢表現不僅體現在基因體結構的穩定性上，也體現在特定基因或基因家族的表達模式上。例如，特定亞基因體中的基因可能在調節竹子的快速生長、木質化莖的形成或同步開花等獨特生物學特性中發揮更重要的作用。這些亞基因體間的功能分化和優勢表達對於理解多倍體生物的遺傳和表達調控機制、以及它們如何影響生物多樣性和適應性非常關鍵。

研究團隊認為，木質竹獨特的生物學特性，如高度木質化的莖、快速生長和同步開花，是由基因體多倍體化和亞基因體之間的動態互動共同塑造的。此外，基因體變異和獨特特徵的起源部分解釋了木質竹在生態、文化和經濟上的重要性。

竹子在生態、經濟和文化上都具有重要意義，竹林是許多野生動物的棲息地，為它們提供食物和庇護所；竹子的根系能有效固定土壤，防止水土流失，有助於保護和改善水土質量；竹子生長迅速，能高效地吸收二氧化碳，並釋放氧氣，對抵抗全球暖化有積極作用。

在經濟方面，竹子在傳統和現代建築中都有應用，竹製家具、工藝品和其他日用品在全球範圍內受到歡迎；竹子也是一種快速生長的植物，可作為木材、紙漿和生物質能源的可再生替代品。另外，許多竹子品種的嫩筍可食用，具有營養價值；竹子還在傳統醫學中被用作藥用材料。

另外，竹子在許多亞洲文化中，象徵著堅韌、純潔和忠誠，常出現在藝術和文學作品中。 總之，竹子的重要性遠遠超出了它的物理存在，它與人類的生活密切相連，對維護生態平衡、促進經濟發展和豐富文化生活都具有不可替代的價值。

參考文獻：

Ma, PF., Liu, YL., Guo, C. et al. Genome assemblies of 11 bamboo species highlight diversification induced by dynamic subgenome dominance. Nat Genet (2024). https://doi.org/10.1038/s41588-024-01683-0