跳到主要內容

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

留言

這個網誌中的熱門文章

怎麼辦到的?變形藤(Boquila trifoliolata)模仿塑膠植物

  左:原來的葉片。右:模仿的葉片。圖片來源: 期刊 之前我們提到過一種奇妙的植物「變形藤」( Boquila trifoliolata ),它原產於南美洲智利中、南部與阿根廷。在2014年就被發現它 為了減少自己被吃 ,發展出奇妙的變形能力:爬到誰身上就長得像誰。 後來在2021年 發現 ,它不只是形狀學得像,連人家身上一大半的細菌都搬過來了。這就奇妙了。 為什麼「變形藤」能夠學得這麼像呢?是寄主植物釋放了揮發性化合物?還是寄主植物跟它進行了基因的交換?還是它真的能「看」? 研究團隊這次用了塑膠植物給它模仿。塑膠植物沒有基因、也不會釋放揮發性化合物,這樣就可以排除前兩個因素了。 結果「變形藤」還是學得維妙維肖,而且,一個月以後,它還學得更像。 難道它真的會「看」嗎?只能說這棵藤本植物真是太奇妙了。 參考文獻: White J, Yamashita F. Boquila trifoliolata mimics leaves of an artificial plastic host plant. Plant Signal Behav. 2022 Dec 31;17(1):1977530. doi: 10.1080/15592324.2021.1977530. Epub 2021 Sep 21. PMID: 34545774; PMCID: PMC8903786.

植物界的變色龍Boquila trifoliolata如何模仿?

  圖片來源: 維基百科 信不信植物界也有變色龍?原產於南美洲智利中、南部與阿根廷的藤本植物 Boquila trifoliolata 在攀爬到其他樹上時,葉片的形狀會從原本的長鈍橢圓形三出複葉改變為宿主植物的形狀;甚至當它從一種植物攀爬到另一種植物時,葉片的型態也會跟著改變。 過去的研究發現, Boquila trifoliolata 之所以做這樣的改變,可能是因為 可以讓它避免被吃 。但是到底「變色龍藤」是怎麼「看」到它攀爬上去的植物長什麼樣子呢? 最近發表在Scientific Report上的研究發現,「變色龍藤」可能是從「宿主」的菌群(microbiota)得到資料。研究團隊收集了「變色龍藤」模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)、沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT),以及「宿主」的菌群(RS)。結果發現,沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT)與「宿主」的菌群(RS)之間只有共享了79個獨特的OTU(操作分類單元,可能代表細菌的屬或種),但模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)與「宿主」的菌群(RS)之間卻共享了255個獨特的OTU!更有趣的是,沒有模仿「宿主」的葉片上的菌群(BT)與模仿「宿主」的葉片上的菌群(BR)間也只共享了33個OTU。 這個結果顯示了,「變色龍藤」能模仿「宿主」的型態,與它們之間共享的菌群高度相關。但是究竟「變色龍藤」是如何從這些菌群得到資料?這就有待進一步的研究了。 參考文獻: Gianoli, E., González-Teuber, M., Vilo, C. et al. Endophytic bacterial communities are associated with leaf mimicry in the vine Boquila trifoliolata. Sci Rep 11, 22673 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-02229-8

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯( Ipomoea batatas )從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎? 圖片來源: 農委會 上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔! 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢! 至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉! 最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔! 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔! 參考文獻: 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。