Evolution of BIG plant genera: case studies in Elatostema and Begonia
編輯 (Editor)：林亞琍、簡思音
演講者 (Invited Speaker) 曾妤馨 助理教授 國立中興大學生命科學系
主持人 (Host) 曾惠芸 助理教授 國立臺灣大學昆蟲學系
演講日期 (Date)：2021/11/16 (二) 11：20~12：20
課程之內容與新知
植物中，若一個屬中有超過500個物種，則可稱該屬為「大屬」，例如豆蘭屬即包含2000個以上的物種。曾老師研究的秋海棠屬去年也突破2000種，樓梯草屬也包含約600個物種。植物的大屬常分布於多樣性的中心，即熱帶與亞熱帶的環境，這些植物可以在高競爭的環境發展成大屬，其演化、種化、生殖策略等方面必有特殊的現象。要研究這些屬是如何成為大屬，首先必須先瞭解這些屬裡有多少物種、這些物種的親緣關係、種化的原因，老師將以分子親緣關係、生殖生物學、基因體學等作切入。
曾老師在博士班時對植物的性別產生興趣，在探索研究方向的過程中發現「樓梯草屬」，該屬為全臺灣植物性別系統最複雜的類群，老師便決定要研究這個很特別、但又常見的植物。樓梯草屬常為草本或亞灌木，生長於森林底層，常長成一大片。但由於它的花與葉的外觀較不吸引人，故常被人忽略。同一種樓梯草於不同環境會有不同的外觀，不同種也可能長很像，在分類與物種界定上非常困難。樓梯草屬的分類百年來都很混亂，為解決這個問題，老師以分子譜系的方式重新將屬的關係釐清，發現廣義樓梯草屬包含了樓梯草屬、擬樓梯草屬與烏來麻屬的物種。性別方面，樓梯草屬有4種系統：雌雄同株異花、雌雄異株、同種中包含雌雄同株異花與雌雄異株、僅具雌性，其中以先開雄花隔一段時間再開雌花的雌雄同株異花為最大宗。無融合生殖 (apomixis)，類似於動物的孤雌生殖 (parthenogenesis)，即透過無性的方式亦可產生種子。老師好奇僅具雌性的植物是否以無融合生殖進行繁殖，是否有絕對無融合生殖的物種，於是老師將3個僅具雌性的物種進行套袋實驗，將花套住還能結果，表示為無融合生殖。再細看胚胎發育的過程，也完全沒有雄性參與，表示該物種確實為僅具雌性且行無融合生殖的植物。廣西為樓梯草的多樣性熱點，包含約300個物種，其中行無融合生殖的物種就佔70%，故推測此生殖策略是使樓梯草多樣性高的原因之一。
在廣西研究樓梯草時，常會在旁邊發現秋海棠，於是老師轉戰更大的秋海棠屬。廣西的生物多樣性非常豐富，甚至有「一山一種，一洞一種」的說法，形容高聳的山或一個個石灰岩洞穴產生的生殖隔離，使在一座山或一個洞穴中就可能發現新物種。秋海棠屬中的側膜組約有90個物種，僅生長於中越邊境的石灰岩洞穴中，其中鹿寨秋海棠為唯一廣泛分布的物種，葉子形態很多樣，且每個族群都有獨特的單倍型，這種特別的情況可能是由生殖隔離所造成。再做進一步分析，發現它們的基因差異確實受距離影響，離中心的族群越遠，基因的差異則越大。想要瞭解種化的原因，必須先瞭解物種間的關係，但使用常用的分子標記卻無法將它們區分，外觀上也十分相近，無法用一般的方法解決問題。曾老師與愛丁堡植物園合作，使用Hyb-Seq技術 (類似於用於動物的ultra-conserved elements (UCE) 技術)，專注分析於重點基因片段。結果顯示，細胞核與葉綠體基因都分別分析出親緣關係，但卻彼此衝突。植物上常用雜交來解釋這種情況；多樣化的雜交事件，可能為造成石灰岩秋海棠多樣性高的原因之一。
Q&A
Q1：請問是不是因為古代的氣候造成秋海棠有這麼高的多樣性？
A1：我的博士論文某一個章節也有討論很多氣候因子，氣候的確會造成這些物種之間分布模式的差異。因為在地質事件上的Miocene (中新世) 跟Eocene (始新世) 溫度比較高，發現這些物種在這2個溫度高的時候有較高的多樣性，而且它們還可以遷徙到不同的地方，所以在亞洲、非洲也有分布。的確適當的環境對這些物種來說是非常適合生存的，也是導致它高多樣性的一個原因。
Q2：請問為甚麼會選擇分析基因的片段，而不是全基因體？
A2：我們不用全基因體是因為分析植物基因體的成本很高。依照目前狀況，像是秋海棠大概600 Mb，聽起來不大，但是光是組裝的成本就很高。比如說，我有1個愛丁堡的同事的研究是秋海棠的基因體，她的博士論文組裝了6個。我研究了80多個物種，需要極高的費用及人力技術。一方面是成本很高，再來就是植物基因體的組裝非常困難，因為植物的基因中有非常多重複，克服重複的基因就是非常困難的事情。不過目前有第三代定序，可定序的序列比較長，可以協助組裝。但是依照目前的技術，我們還是沒辦法克服這個問題。我前幾天參加一個討論第三代定序的研討會，或許對做動物的人會有點吃驚，就是我們還在討論要怎麼萃取DNA，但這對做植物的人是稀鬆平常的事，因為第三代定序需要高分子量的DNA，而植物得到高分子量的DNA是非常困難的。所以我才會只分析代表性的基因片段。
Q3：老師提到樓梯草有4種生殖形態，如果依演化生物學來講，總是會有個形態叫做「ancestral」，請問樓梯草是不是也有ancestral的形態？怎麼把它定義出來？
A3：目前沒有人做這方面的研究。不過我覺得依照整個蕁麻科 (樓梯草為蕁麻科) 來說，雌雄同株異花是最佔優勢的。雖然冷清草 (樓梯草的一個類群) 裡面可以看到6個不同的形式，但觀察的50幾棵中，其實超過2、30棵都是屬於雌雄同株異花，所以我覺得對於這群應該屬於比較ancestral的。在整個植物性別的演化來說，雌雄異株經常是由雌雄同株異花變化而來。所以依照這樣的推測，我覺得雌雄同株異花應該是屬於樓梯草比較普見的形態。
Q4：樓梯草因為是孤雌生殖所以數量龐大，可是孤雌生殖的生物常會有個風險：它的多樣性會相對比較少，請問它如何維持族群的龐大，又可以維持它的多樣性？
A4：我覺得它的遺傳多樣性其實並不高，但據我目前的觀察，它們都有個優勢。樓梯草通常長在比較陰暗潮濕的環境，可是以臺灣這3個孤雌生殖的物種來說，它們可以跑到向陽的環境，對這些物種來說就有生態區位上的優勢。雖然它的多樣性較低，但它占用空間的能力較其他樓梯草強。
Q5：這些大屬的棲地範圍沒有很大，請問它們種間的競爭會很嚴重嗎？它會很容易因為1、2年的乾旱之類的就滅絕嗎？
A5：會，沒錯。而且除了你剛說到的滅絕的狀況，像是秋海棠，因為它是生活在洞穴裡，而洞穴是非常容易波動、破碎化的環境，很多石頭會掉下來之外，最重要是人為的影響。之前有廣西的同事跟我說他在石灰岩洞看到一些秋海棠，隔年我們兩個一起去那個山卻發現完全被挖掉了。因為他們想要繼續開發，所以就把山整個挖掉，秋海棠就不見了。而且中國人很喜歡在石灰岩洞建廟，他們認為那裡是有靈性的地方，但建廟也就會把洞裡面的秋海棠除掉。這是常常發現的，你剛才說的乾旱也是一樣。
Q6：植物的雜交很常見，請問該怎麼定義「種」？雜交之後有沒有需要再回交 (backcross) 到親代，若還可以回交回去那還可以叫做一個種嗎？
A6：其實種的定義非常的多，像是我們對動物一般想到的就是生物種概念 (biological species concept，BSC)。我在臺灣的樓梯草中發現1個雜交種，是全世界第1個發現的雜交種，可是它第一代生長下來的雄花跟雌花都是不孕的。雖然我們還是會給它命名，但是我們不會去額外做實驗讓它回交，因為它在第一代就已經沒辦法繁殖。植物要定義種非常的困難，較常用的方法是親緣種概念 (phylogenetic species concept，PSC)，我們會透過親緣關係來看這些類群會不會被分在一起，因為植物雜交的狀況非常頻繁，所以BSC在植物上較沒辦法運用。
Q7：請問秋海棠如何擴散？
A7：目前其實還不清楚它是如何擴散的，不過它的種子跟砂一樣細，所以有人說是靠水，因為它生長於有一點潮濕的環境，稍微流動的水可以把種子帶走。也有人說是靠猴子，因為廣西石灰岩洞都有猴子在上面跑來跑去，他們覺得會沾在猴子的身上。但是要沾在猴子身上必須考慮到這些種子要有可以勾在動物身上的構造，但是秋海棠的種子並沒有，所以我滿懷疑的。然後風力也有辦法，因為它的種子像砂子一樣細，所以風吹是有辦法協助擴散的。
Q8：老師提到有些特別的秋海棠可能因為洞穴塌了就直接消失了，請問有沒有辦法以培養的方式能保留秋海棠？而且有些秋海棠還滿漂亮的，或許可以像蝴蝶蘭用人工培養的方式去做觀賞用植物，然後拿去販賣？
A8：有，但是秋海棠非常難種，好種的已經在市面上大家都看得到。依我研究的類群，它生長於石灰岩地形，表示它其實是不需要太多土，可是我那個照顧植物的同事說，秋海棠是有「公主病」的植物：你太照顧它，它也不開心；它被風一吹，葉子又會焦掉，所以照顧上是非常的困難。中央研究院已經有種了大概600多個物種，廣西與高雄的植物園也在努力想辦法將秋海棠保留下來。有關販賣的問題又是另一個議題，到底這些野外種適不適合拿來販賣？像是馬來西亞有個很美的物種叫做黑武士秋海棠，整片葉子都是黑色的，外面有圈螢光綠的顏色，它後來在原生地也是完全消失了。秋海棠真的很漂亮，可是也很難種。那有好種也很漂亮的，市面上大概不會有。
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