野花如何用多樣性抗氣候變遷 基因研究說分明 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

野花如何用多樣性抗氣候變遷 基因研究說分明

2018年08月10日
環境資訊中心綜合外電;姜唯 編譯;林大利 審校

19世紀的達爾文理論到21世紀的基因圖譜,似乎還有一塊遺失的拼圖有待建立。藉由一份野花的生物多樣性研究,科學家如今相信,他們已掌握了天擇和遺傳變異之間的關鍵連結。

1859年達爾文首次提出演化論時,他主張是天擇讓物種隨著時間的推移適應其環境。他相信,有助於生存的性狀傳遞給後代,後者會將這些性狀傳遞給更多的後代,最終形成我們今日所見的生物多樣性。

這個理論只有一個問題,就是達爾文其實並不了解天擇是如何運作的。科學家們花費數十年的時間才發展出遺傳學,以及性狀如何傳遞給下一代的概念——即華生和克里克1953年發現DNA雙螺旋。

對於威廉與瑪麗學院生物學助理教授普澤(Josh Puzey)而言,從達爾文理論到繪製基因組圖譜之間仍缺少一塊拼圖。普澤想要解釋,為什麼物種內存在諸多變異。如果天擇的力量和達爾文推測的一樣強大,為什麼物種內的個體不是長得完全一樣且全都適應環境?

野花用多樣性對抗氣候變遷。圖片來源:Josh Puzey
威廉與瑪麗學院生物學助理教授普澤(Josh Puzey)。圖片來源:Josh Puzey

「一個簡單但可能稍微天真的期望應該是個體之間沒有變異,因為天擇將物種推向了單一的最佳狀態,」普澤說。

「所以問題是:面對天擇,遺傳變異如何始終存在?」

他與研究夥伴發表在《科學》期刊上的論文《選擇性權衡維繫植物複雜性狀變異背後的等位基因》(Selective trade-offs maintain alleles underpinning complex trait variation in plants),發現了天擇和遺傳變異之間的關鍵連結。

普澤說,這是第一個將表型(外觀性狀)和適存度(繁殖和留下後代的能力)與基因型(表現個體性狀的DNA編碼)串連起來的研究。

要了解表型和基因型之間的差異,可用紅鸛為例。紅鸛在吃某種蝦時會變成粉紅色。吃蝦改變了紅鸛的表型——顏色,但沒有直接影響其基因型。表型可以因環境變化迅速改變。基因型變化則會透過基因傳遞給下一代。

「我們思考演化和天擇,因為總是試圖尋找更合適的表型,看山上成千上萬的野花,如果已經經歷代代相傳演化,你會認為他們都有相同的表型。但並非如此,所以我們進行了一種暴力破解法解決這個問題。」普澤說。

野花用多樣性對抗氣候變遷。圖片來源:Josh Puzey
野生的溝酸漿(Mimulus guttatus)。圖片來源:Josh Puzey

普澤與他所屬的研究團隊蒐集並分析了生長在奧勒岡州鐵山地區,共187株不同的野生溝酸漿(Mimulus guttatus)種子。

研究人員利用這些種子為每株個體的基因組定序。接著他們返回奧勒岡州,在最初蒐集到這些花的山上種下定序後的種子。該團隊花兩年的時間監測每株幼苗的生長,測量它們在整個過程中的適存度。如果花朵達到生殖成熟狀態,則記錄下每株產生的種子數量跟開花狀況。

「我們利用這些個體將基因型與表型連起來。隨著花朵生長,我們知道底層基因發生了什麼事,以及基因與表型的關係。這是本研究的突破之處。」普澤說。

該團隊識別出基因組中控制開花時間和花朵大小的特定區域。他們發現同一區域控制著這兩種性狀。晚開的花朵比早開的花朵大。

圖片來源:Marina LaForgia/UC Davis

野花。圖片來源:Marina LaForgia/UC Davis

普澤解釋,研究人員發現,表型性狀與基因型有物質上的關聯。簡單地說,花朵隨著時間推移演化,以維持花朵大小的遺傳變異,因為這可幫助它們生存。

天擇青睞最適合原生環境的表型,但如果該環境總是在變動,那麼天擇可能已經起了維持遺傳變異的作用,以便適應任何環境變化。

「我們發現適存度取決於個體在這一年中所生長的環境,」普澤說。

有一年,隨著積雪融化,水源供應期較短。短暫的濕季之後,夏季迅速開始。在這些條件下,花朵較小且開花較快的溝酸漿更有可能發育至性成熟。

第二年,春季降雨持續時間較長,夏季乾旱期開始較晚,則花朵較大、開花較晚的個體比較健康。

「有時環境有時對小花較有利,有時對大花較有利很受歡迎,取決於春季時的降雨量。因此若要回答面對天擇,遺傳變異是如何維持的?我們的答案是,年度間的變異會偏好不同的遺傳組成和表型,允許變異持續存在。」普澤說。

由於溝酸漿的遺傳組成對每年之間的氣候波動適應良好,研究人員好奇,溝酸漿的遺傳變異是否有利於適應氣候變遷。

他們認為答案是肯定的。因為在鐵山地區,氣候波動幅度很大,因此溝酸漿族群內的遺傳多樣性應該能夠適應長期的氣候變遷。

但普澤強調,溝酸漿能適應氣候變遷,不代表對其他的鐵山野生生物來說也是如此。開花時間和花朵大小的變化對蜜蜂等授粉昆蟲有直接影響。覓食模式的任何變化都可能影響其他野花,並影響該物種在什麼時間開花。氣候變遷仍可能使整個生態系統處於危險之中。

參考資料

※ 本文與 行政院農業委員會 林務局  合作刊登

作者

姜唯

如果有一件事是重要的,如果能為孩子實現一個願望,那就是人類與大自然和諧共存。

林大利

於特有生物研究保育中心服務,小鳥和棲地是主要的研究對象。是龜毛的讀者,認為龜毛是探索世界的美德。