粉紅鸚嘴基因解碼 物種適應氣候變遷、入侵種防治有線索 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

粉紅鸚嘴基因解碼 物種適應氣候變遷、入侵種防治有線索

台師大團隊費時十年研究有成 躍上PNAS期刊

2019年02月27日
環境資訊中心特約記者 廖靜蕙報導

面對氣候變遷,具備哪些條件的物種,較能挺過環境劇烈變動的衝擊?由台師大教授李壽先率領的跨國研究團隊,針對廣佈於台灣及亞洲大陸不同海拔的鳥類「粉紅鸚嘴」(Sinosuthora webbiana bulomacha),進行全基因組變異分析,及兩地粉紅鸚嘴遺傳變異的比較,發現原來早在遠古時期的共同祖先,就將適應不同海拔環境的能力寫入基因中!

這項研究說明了基因多樣性越高,越有機會讓物種適應逆境。研究成果近日刊登於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

李壽先領導的跨國團隊,透過粉紅鸚嘴基因組定序,解答基因多樣性與環境適應的關聯。研究團隊提供。
李壽先領導的跨國團隊,透過粉紅鸚嘴基因組定序,解答基因多樣性與環境適應的關聯。攝影:呂翊維。

帶著環境適應遺傳變異  各分東西

粉紅鸚嘴是台灣特有亞種,體長約10~12公分,從海邊一直到海拔約3100公尺的松雪樓,都有機會看到牠小小的身影。跨國研究團隊首先對一隻粉紅鸚嘴雄鳥,進行完整的遺傳密碼(基因組)解碼。

接著針對分佈在台灣中央山脈兩側,不同海拔間的四個樣點,各採取十個樣本,總共40隻粉紅鸚嘴,對其基因組的遺傳變異進行分析,並發現基因組內有29個與高低海拔環境適應相關的區域。研究團隊也比較另外40隻來自廣西至吉林的粉紅鸚嘴基因組,在台灣發現的環境適應突變,約90%也可在亞洲大陸的粉紅鸚嘴族群中發現。

從基因組序列分析顯示,台灣和亞洲大陸上的粉紅鸚嘴是在10~15萬年前才分家。研究團隊因此推估:台灣與亞洲大陸上粉紅鸚嘴所共有的遺傳突變,應該是繼承自牠們最後一次分家前的共同祖先,而非近期才產生的新突變。

這項研究的結果,也有助於了解生物未來如何在暖化下,應對環境的變遷。研究論文指出,粉紅鸚嘴在台灣不同海拔的分佈,應是1萬8千年前最後一次冰河期結束後,隨著氣候不斷變暖,分佈範圍由低海拔不斷向高海拔擴張的結果;近代則因人類活動導致地球的升溫,造成生物的分佈範圍向高海拔移動。

粉紅鸚嘴適應環境的能力,透過遺傳,一代傳一代。攝影:姚正得
粉紅鸚嘴適應環境的能力,透過遺傳,接力傳遞給下一代。攝影:姚正得

粉紅鸚嘴廣泛分布於台灣各個角落,圖為其棲地樣貌。攝影:呂翊維
粉紅鸚嘴廣泛分布於台灣各個角落,圖為其棲地樣貌。攝影:呂翊維

基因多樣性 保留既有遺傳變異

「環肥燕瘦」除了代表不同時代的審美觀念,也隱含基因多樣性的道理。來自不同家族,各帶著不同的基因版本,具備的功能各異,當環境變化時,就能看出適應環境的本領。同理,鳥類身上各帶著不同的基因版本,基因版本越多樣,應變環境的機會就更大。

李壽先說,演化學上計算出,產生一個新的基因突變率約10-9;在機率固定,環境相對變化快速的條件下,生物幾乎等不到這種機會;此時,只能反求諸己,向既有、已經形成的遺傳變異(突變)尋找解答。

「我們的結論是既有的突變很重要。」李壽先指出,能將這些遺傳完整延續,維持族群數不墜是眉角。這項研究是首次對整個基因組內變異產生的相對時間進行評估,並用來判斷適應相關的突變,是本來就存在於族群內不同個體間的變異,或是新突變。

全基因組定序是把染色體上所有的基因解碼,從獲得的龐大訊息中,解答和適應有關的問題。「物種存續與否,和他們是否能適應不斷變化的環境息息相關。」李壽先解釋,保育一個物種,除了要維持、甚至增加它的數量外,更要避免或減緩這個物種丟失「遺傳多樣性」,這樣物種才能有足夠潛能,應對持續的環境變化。

這也解釋《生物多樣性公約》強調基因多樣性保全,就是希望讓好的基因不要消失。

外來種難題  多次進入、越容易入侵成功

這項研究也對外來種入侵的防治提供新思維:並不是所有的外來種都會構成入侵的事實,有些外來種入侵成功,關鍵就是異地適應的能力。過去研究發現,多次管道進入的外來種,較易造成入侵的事實。李壽先說,多次進入,意味著不斷補充遺傳多樣性,遺傳多樣性越來越高,適應性也越來越好。

這項訊息提供了外來種管制上,應避免大量進口外來種,以及在持有上避免外來種逃逸;進口越多、從越多不同地點進入,都會提供入侵成功的機會。他舉19世紀末年開始入侵佛羅里達州的沙氏變色蜥為例,隨著從起初分佈侷限到往外擴散,採集的樣本遺傳多樣也越來越高。

小小粉紅鸚嘴 適應環境有一套

提到為何選擇粉紅鸚嘴作為研究對象?李壽先說明,首先,廣泛分佈的特性,代表環境適應力強。其次,從過去的行為研究,無論台灣或韓國,都顯示這種鳥的移動能力不強。這個特性代表和環境的關係較密切、連結度高。

何謂移動力不強呢?他舉幾項研究資料為例,1983年前後,前中研院研究員劉小如在東海大學校園執行研究計畫,為這些鳥類做了繫放、上腳環監測;依據監測數據推斷,這種鳥類終生活動範圍不超過兩公里。近期東華大學教授許育誠研究團隊,在太魯閣國家公園範圍內進行長達十年的鳥類繫放,其中記錄到的粉紅鸚嘴活動範圍也是如此。

此外,粉紅鸚嘴在東亞大陸也廣泛分布,因此能有比較對象。「若只看台灣的個體,只能知道和環境適應有關的遺傳基礎,但這個遺傳基礎到底是新的或舊的,就無從比對。」李壽先說,而選擇粉紅鸚嘴為研究對象,最關鍵的因素就在於劉小如1980年代對粉紅鸚嘴的行為研究,打下這次研究的基礎。

粉紅鸚嘴一生的活動範圍約2公里,適應環境的能力尤其重要。攝影:呂翊維
粉紅鸚嘴一生的活動範圍約2公里,適應環境的能力尤其重要。攝影:呂翊維


在高海拔棲地,粉紅鸚嘴依然能適應。攝影:姚正得

以基因組序列 解答野外的問題

研究團隊陣容龐大,由李壽先帶領碩士班研究生賴郁婷,以及國內外包括國家衛生研究院、東華大學、特生中心、中研院、美國馬利蘭大學、北京師範大學及海南師範大學等單位研究人員所組成。

這項研究約花了五、六年,若再加上中國方面的資料收集,將近十年。原因是材料收集需要時間。例如許育誠團隊在合歡山上的定點研究,每個月一次的調查,幾年下來只能在高拔地區捕捉十幾隻粉紅鸚嘴。類似的樣點,台灣和中國各有四個點,每個點都取得十個樣本。

此外,基因組定序是新技術,必須從頭開始學習,直到研究完成、撰寫成論文、投稿,又是一兩年時間。

有別於基因解碼是穿白袍在實驗室作業的刻板印象,這項研究是從野外連結到實驗室,「我們終究要回答的是野外的問題,只是我們使用的方法是基因組序列。」李壽先為此註腳。

目前科學進展已能達到遺傳基因解碼,但台灣運用這項技術做的研究非常少。他認為,遺傳多樣性的研究在台灣很缺乏,不只鳥類,而是普遍的野生物都缺。尤其,因氣候暖化而面臨棲地不斷縮減的高海拔生物,能否具備足夠的適應力,更需透過這類研究盤點。

台師大教授李壽先認為,基因組定序技術應推及野生物保育。攝影:廖靜蕙
台師大教授李壽先認為,基因組定序技術應推及野生物保育。攝影:廖靜蕙

參考資料

※ 本文與 行政院農業委員會 林務局  合作刊登

作者

廖靜蕙

環境記者/自由撰稿人,致力於生物多樣性主流化。從事社工10餘年,認知到再弱勢的人都可以為自己發言,決定轉投生態保育,為無法以人類語言發聲的生命與土地寫報導。現居台北市,有貓、有龜,以及一些過客。個人粉專「小麻通訊」。