搶救國寶牛樟!牛樟全基因體定序重寫植物族譜

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 22 日 17:00 | 分類 生物科技 , 自然科學 follow us in feedly


台灣特有的國寶級喬木「牛樟」(Cinnamomum kanehirae Hayata)不但是上等木材,可以提煉芳香精油,更能培養俗稱「森林紅寶石」的牛樟芝。然而,這樣的森林珍寶,卻因遭受大量盜採而瀕臨絕種。牛樟因其獨特的身世,在演化及分類學中有其重要價值,而找出牛樟特別的基因,對其復育更至關重要。

中央研究院生物多樣性研究中心趙淑妙特聘研究員(見首圖)與蔡怡陞助研究員共組團隊發表最新研究,將牛樟的基因體定序解碼,並釐清其演化地位。此研究成果可望強化牛樟的復育,也有助解釋為何牛樟具獨特芳香且有利牛樟芝生長。研究論文已於今年 1 月 9 日發表於國際期刊《自然植物》(Nature Plants),因本研究成果對開花植物演化突破性見解,該期刊以專文評論其重要性。

牛樟是台灣特有的闊葉五木之一。主要生長於海拔 450~2,000 公尺潮濕的多霧森林,直徑可超過 2 公尺,樹齡達千年以上,在台灣是非常珍貴的原生常綠大喬木。趙淑妙長期投入植物演化及基因定序,本次與比較基因體學出身的蔡怡陞合作,一同克服牛樟複雜的基因體定序與註解,找出其將近 28,000 個全數基因。

趙淑妙表示:「這些基因資料有如牛樟的身世密碼,透過基因體比對,可幫牛樟『滴血認清』,根據演化地位畫出族譜、找到牛樟的兄弟姊妹。未來,除可將牛樟芳香、抗腐及抗蟲的基因開發應用之外,亦可如人類『臍帶血』技術一般,進一步用於牛樟及其親緣植物的疾病治療,對牛樟的遺傳資源保育,有直接的幫助。」

牛樟全基因體的定序也將改寫開花植物的族譜。牛樟是「開花植物」中最壯碩的一種。開花植物有分單子葉及雙子葉兩大類,而雙子葉植物(Dicotyledons)中又可分出 7 類。牛樟即屬於其中的「木蘭類植物」。一百年來,木蘭類植物被學界認為是雙子葉植物中較原始的一群,與真雙子葉植物只是「遠親」關係。然而,本研究透過牛樟基因體定序、重繪開花植物生命樹(tree of life)後發現,木蘭類植物應是真雙子葉植物的「姊妹群」,而不是遠親!

蔡怡陞強調,將全基因體的定序做到染色體的程度並不容易。首先,要取出牛樟細胞中,有如打結毛線般的染色體之 DNA,再像拼拼圖般,以不同演算法重建、註解,找出牛樟半套為 12 條染色體的基因組合,才能與其他植物基因體深度比較。

本研究確認木蘭亞綱的演化至少發生過兩輪的全基因體複製事件,一次在樟目和木蘭目分歧之前,另一次則在樟科植物內團隊也發現,牛樟的基因體在多次染色體內局部複製及重組後,大幅增加了許多可合成「萜類化合物」的基因。

遺傳多樣性可能被台灣的複雜地質變動所影響

萜類化合物是芳香醇的主要元素,本研究共定出了牛樟的 101 個「萜類合成基因」(Terpenoid synthase genes),因此,牛樟擁有開花植物中最豐富且多樣的芳香氣味。除了牛樟,常見的木蘭類植物如釋迦、胡椒等,也都有其獨特的香氣。此外,經研究團隊比對後發現,牛樟中的兩種特有萜類(C10H16 及 C15H24),恰巧為牛樟芝具抗癌、保肝藥性萜類成分(C30H48)的基質,因此可以推測,此即牛樟芝喜歡寄生於牛樟的關鍵原因。

近年牛樟數量的減少其實不只是人為因素,研究團隊在深入分析演化的時間軸後發現,牛樟族群持續且穩定地縮減情形,竟可追溯至過去 900 萬年以來。蔡怡陞博士推測,近期牛樟野生族群的消失雖與近半世紀來的盜伐有關,然其本身遺傳的多樣性,極可能一早就被台灣的複雜地質變動所影響

趙淑妙解釋,大自然的物種之間往往「一物剋一物」。天然情況下,牛樟芝的菌絲只會感染並寄生於牛樟的樹幹,造成牛樟木心材腐爛。牛樟木材又因有獨特的芳香且耐腐、抗蟲,常用做高級家俱及木刻藝品。如今,卻因為人類大量盜採,天然的牛樟已十分罕見,被列為一級保育樹種。

本研究通訊作者為中央研究生物多樣性中心趙淑妙特聘研究員和蔡怡陞助研究員。美國喬治亞大學植物生物系教授 James H.Leebens-Mack 提供轉錄體數據和闡釋分析結果。研究經費則由中央研究院深耕計劃和主題計畫(趙淑妙)及前瞻計畫(蔡怡陞)支持。

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