埋藏近 1.5 世紀的種子實驗,古老研究成為現代科學家的珍貴研究材料

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 09 日 8:00 | 分類 農業科技 Telegram share ! follow us in feedly


每過 20 年,一群由植物學家所組成的研究團隊就會循著地圖在天亮前來到密西根州立大學(Michigan State University) 內一處神祕地點,挖掘植物學家的「寶藏」──這是一個裝著超過一百年種子的罐子。

這個深埋於土中的罐子裝著跨世紀的實驗樣本,用來研究種子在土壤中能夠維持休眠多長時間且持續保有萌芽能力。每 20 年研究者都會趁天黑時找到地圖上標示的隱密地點將過去埋下的罐子取出,將種子散布在培養皿中經過滅菌處理的土壤上,測試這些種子是否還能夠生長。

過去由於技術限制,研究者在挖出種子之後只會單純測試種子是否能在各式條件中生長,分析還能夠生長的種類與樹木。但隨著科技進步,現今的研究者能夠研究種子如何受到外在環境刺激而萌芽,如何保持休眠而不失去活性,甚至研究如何讓看似失去活性的種子重新開始發芽。希望透過這些研究,幫助修復已被破壞的生態系或者延長作物的種子保存年限。

緣起於 1879 年的研究

美國植物學家威廉‧詹姆斯‧比爾(William James Beal) 於 1879 年製作了 20 個像這樣的種子罐在校園內埋藏,預計每隔 5 年取出一罐培養。罐中包含了上千顆的種子,從黑芥菜(black mustard) 到白三葉草(white clover)、反枝莧(redroot amaranth) 等 21 種植物的種子各 50 顆。比爾博士希望透過研究了解植物在土壤內可以維持多久以及刺激植物萌芽的條件,藉此幫助疲於除草的農人。

種子去殼後會被培養於各種土壤以及條件下,但大多種子都會繼續處於休眠狀態,可能要過幾個月甚至數年以上才會開始發芽。在最初幾次實驗中,許多種子都能夠生長,並且在接下來 10、15 甚至 20 年時也穩定生長。但數十年過去,植物漸漸變得難以生長,只剩下一種黃花草本植物毛瓣毛蕊花(Verbascum blattaria) 仍能夠穩定萌芽。在上一輪 2000 年挖出的種子中,近半的毛瓣毛蕊花種子在被埋藏了超過一世紀後仍然萌芽生長。

現今農人已經不太需要費心除草,但比爾博士的實驗隨著時間變得更加有意義。在各生態環境中土壤內究竟有多少種子可能萌芽,一直都是難以評估的問題,研究者著手研究種子如何休眠以幫助生態復育,在促進本土物種生長的同時抵抗外來種的入侵。樂觀的來說,有些已經消失的植物種類可能也還有種子藏在某塊土壤中,等待機會再次生長。除此之外,有些研究者也利用每次挖掘出的種子在受調控的環境中,研究種子的萌芽與壽命,先前更早取出的種子也有些仍在研究中。

比爾博士埋下種子時,最初計劃在接下來的一世紀中每 5 年取出一罐種子進行分析,但隨著時間過去,接續這項研究的研究者們決定延長每一次取出的間隔,一開始延長到 10 年,隨後變成 20 年。其中 1919 年與去年 2020 年分別因為當時的西班牙流感與 COVID-19 疫情而順延一年。

為了在這麼長的實驗過程中不至於亂了方向,密西根州立大學成立了負責管理種子的組織,讓各世代的植物學家能夠傳承延續這項研究。今年的挖掘工作由目前負責此研究的七人中的 Frank Telewski 博士帶領進行。他在 2000 年時在前輩 Jan Zeevaart 博士帶領下首次參與種子罐挖掘,而後 Zeevaart 博士在 2009 年去世,Telewski 也決定再將一份種子地圖交給希望加入研究的植物學助理教授 David Lowry 博士。

傳承這樣一個歷史悠久的研究同時又必須防止資訊外洩是一件非常細緻而艱鉅的工作。隨著研究進行時間越來越長,研究也變得越來越容易吸引其他人的興趣,因此保密工作變得更加重要,而現在記錄種子罐埋藏地點的地圖是在移除了先前埋藏點地標之後繪製的。

有趣的是,在挖掘過程中彷彿神祕儀式般的,必須在夜晚進行其實只是出於比爾博士非常實際的考量,為了保護在挖掘過程中其他種子罐不被陽光照射而意外觸發萌芽。也因為這個原因,研究團隊在進行挖掘時也會使用綠色的頭燈來避免影響實驗。

老種子與新把戲

今年的挖掘過程並不那麼順利,超過六點天快亮時研究者們才發現他們可能錯讀地圖了,修正方位後往西移動了兩英尺繼續挖掘,在穿過各種樹根石頭等障礙之後終於碰到了外形平滑的物體,這才鬆一口氣開始歡呼。Weber 博士形容感覺像成功接生了嬰兒或者找到了珍貴的寶物。

今年是首次種子罐在取出之後沒有直接進到培養房中,而是由博士後研究員 Margaret Fleming 帶到冷藏室後取出一些從 1914 年後就再也沒有成功發芽的金色狗尾草(Setaria glauca) 種子進行基因分析。

培養種子發芽並不是單純地看有無發芽而已,沒發芽的種子也不一定完全失去活性,因此檢測種子的 DNA 和 RNA 能夠讓研究者更了解種子是否還保有發芽所需的因子、種子基因是否還完整或者有什麼因素導致無法發芽等。

在 1879 年種子被埋下時科學家甚至不知道 DNA 是什麼,但隨著新世代研究者加入不斷對這個古老研究帶來新想法,思考這項研究的更多可能性,研究目的也隨著時間更新。現今有許多與儲藏植物種子相關的計畫,透過這項研究也能夠幫助我們改善特定物種種子的儲藏方式,讓他們在休眠狀態仍然維持功能。

研究者希望根據現在所擁有的更多基礎知識進行更多樣的研究。譬如他們正打算模擬一次冬天環境看看種子經過寒冷條件之後是否能夠重新發芽,就像 2020 年成功長出的一株圓葉錦葵(Malva pusilla) 一樣。研究者也希望透過煙霧誘導在野火後容易生長起來的植物發芽,例如梁子菜(Erechtites hieraciifolius) 以及實驗中從來沒有成功發芽過的柳蘭(fireweed)。

年代感與神祕感讓這項研究越來越有魅力,但真正推動研究繼續進行的是這些研究者之間的友誼與求知欲。在進行接續的研究測試之外,研究團隊也不斷地在尋找 19 年後接手的人選,可能哪天在校園裡遇上了年輕的研究者並問他:「欸嗨!你想不想看張地圖?」這項研究已經進行了 142 年,但研究者希望可以再繼續進行至少 80 年以上。

(首圖來源:pixabay

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