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畫出蘭花遺傳圖譜!臺灣阿嬤蝴蝶蘭將邁向精準分子育種

PanSci_96
・2018/07/03 ・1296字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 556 ・八年級
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  • 首圖說明:臺灣白花原生種──臺灣阿嬤 P. aphrodite 基因組成

蝴蝶蘭是臺灣最重要的出口花卉作物之一,然因蘭花生長周期長達 2-3 年,如何推陳出新以滿足市場需求,提高我國蘭花產業的創新優勢,為中央研究院農業生物科技研究中心施明哲特聘研究員研究團隊長期研究重點。而臺灣原生種白花蝴蝶蘭 Phalaenopsis aphrodite(俗稱臺灣阿嬤),花型優美、花梗健壯,是目前蘭花市場上重要的育種材料,因此,更成為研究團隊的重要研究標的。

臺灣阿嬤 P. aphrodite 圖/中央研究院農業生物科技研究中心提供

不同於以往蘭花基因體解序的研究,施明哲團隊首次將白花蝴蝶蘭的全基因體進一步繪製成染色體圖譜及遺傳連鎖圖譜,建立一套完整的分子育種系統,將基因與蘭花的表現特徵一一對應。未來可望針對蘭花的顏色、形狀等特徵,精準地訂製出新品種。本研究論文已於 107 年 4 月 28 日刊載於國際植物科學領域代表性期刊《植物生物科技期刊》(Plant Biotechnology Journal)。

蘭花產業亟需推陳出新以滿足市場需求,然而,蘭花的生長週期長達 2-3 年,傳統育種以人工方式,需要透過不斷雜交、選拔才能產出新品種,不僅耗時耗能,成功率也較低。透過本研究成果提供的臺灣阿嬤基因體資源,可建立高密度分子標的遺傳連鎖圖譜,以遺傳性狀精準設計新一代蘭花。蘭花產業可望能從耗時、費力又無法預知結果的傳統雜交育種邁向分子育種,以全面且精準地方式計算並生產「高級訂製蘭花(high-end designer orchid)」。

施明哲研究團隊首先以高通量定序方法精準地完成白花蝴蝶蘭的全基因體解序、組裝及註解,再藉由螢光原位雜交確認基因體序列於染色體中的位置,繪製出第一個高解析度蝴蝶蘭染色體圖譜,最後,再找出決定花朵形狀、顏色、環境適應的關聯基因,並對應於染色體,終於建立了第一個遺傳連鎖圖譜。

遺傳圖譜、基因體組裝及基因染色體螢光雜交圖譜。 圖/中研院提供
臺灣白花原生種──臺灣阿嬤 P. aphrodite 基因組成。 圖/中研院提供

這套遺傳連鎖圖譜突破了過去缺乏工具探索新品種的困境,尤其蘭花產業長期受制於生長發育型態,諸如生長週期長短、催花低溫處理時間長短、花色、花瓣形狀、花梗數目、香味生成等皆是蘭花產業考量的因素。同時,這份基因資料亦能提供演化學家參考,可進一步探究蘭花為適應不同生態系統所衍生的基因演化、特殊構造等生存策略的來龍去脈。

本研究由本院農生中心施明哲、國立臺灣大學陳凱儀及國立成功大學張松彬共同完成。施明哲特聘研究員長期致力於蘭科植物基因體研究,其歷年研蒐所得之蘭科植物基因體資料彙集公開於 Orchidstra,目前已更新至 Orchidstra 2.0,同時發展生物資訊工具開放各界使用。

  • 本文編修自中央研究院農業生物科技研究中心新聞稿,原標題為〈畫出蘭花遺傳圖譜!臺灣阿嬤蝴蝶蘭全基因體解序,邁向精準分子育種〉

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臺大獸醫研發動物用奈米疫苗,有效預防冠狀病毒
活躍星系核_96
・2016/08/24 ・803字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 637 ・十年級
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  • 圖/台灣大學新聞稿

動物用疫苗市場乃各大生技藥廠兵家必爭之地,每年全球之市場規模可達數十億美元,近年來更由於人畜共通傳染病頻傳,讓預防與維持動物健康成為了公共衛生領域的重要議題。

冠狀病毒對全球人畜之威脅

其中,冠狀病毒正是發生於人類與動物高致死率疾病的頭號元兇,例如 2003 年發生的嚴重急性呼吸症候群(SARS),以及 2012 年始於中東地區、隨後蔓延至全世界的中東呼吸道症候群(MERS);而禽類的冠狀病毒則會讓肉雞、蛋雞及種雞等引發支氣管炎、肺炎、腎衰竭等症狀,甚至造成輸卵管病變導致雞隻的「不孕」,讓臺灣及全世界的雞農蒙受重大經濟損失,因此,研製效果良好、成本低廉的動物用疫苗為產學界一致努力的目標。

圖片來源:Compassion in World Farming@flickr, bu NC 2.0
圖/Compassion in World Farming@flickr, by NC 2.0

台大獸醫系運用奈米科技打造疫苗

本次創新研究是由臺大獸醫系陳慧文老師實驗室學生黃湞鈺、林舒怡、方紫珣、許宸瑄共同參與,並與中央研究院生醫所胡哲銘博士主持之奈米醫學實驗室合作完成。研究團隊突破傳統病毒疫苗製作之框架、跨領域運用奈米科技,以奈米金顆粒與冠狀病毒棘突醣蛋白結合,開發出人工合成的類病毒顆粒(synthetic virus-like particles)。

此顆粒在形態與特性上,與原態之冠狀病毒非常相似,能模擬病毒、在動物體內誘發免疫反應。研究團隊先以小鼠模式,證明此顆粒能成功被免疫系統辨識並活化抗體生成,再進一步使用無特定病原雞隻的冠狀病毒感染模式,證實此合成的類病毒顆粒能有效增強雞隻的抗病毒免疫反應、降低臨床症狀、阻斷病毒於組織中的複製,效果優於傳統的次單位疫苗與不活化疫苗。

研究團隊以前瞻跨領域的生物科技開發出新式奈米疫苗,其製備過程簡單快速,能降低成本、符合動物用藥的市場需求。此研究已於 2016 年 8 月 15 日刊登在 Biomaterials 期刊。

本文改寫自台灣大學新聞稿。

原始論文:

  • Synthetic Virus-like Particles Prepared via Protein Corona Formation Enable Effective Vaccination in an Avian Model of Coronavirus Infection. Biomaterials. doi:10.1016/j.biomaterials.2016.08.018 (2016)
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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要打要跑還是要忍?植物的生長策略比你想得更複雜
活躍星系核_96
・2018/09/03 ・1752字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 569 ・九年級
  • 匍匐委陵菜。圖/wikipedia
  • 文/李知咸

動物在面對競爭時,會依據自己的相對優勢來採取「對抗」、「躲避」與「忍受」等行為。例如當對手又高又壯時,動物們更易於「放棄對抗」,轉而選擇「躲避」或「忍受」。那植物呢?是否也會出現相似的行為呢?

德國蒂賓根大學演化與生態研究所的生物學家們發表在 Nature Communications 的研究發現,植物有辦法根據競爭對手的體型高度以及枝葉疏密程度,來做出多元的決策以謀求生機。換言之,植物具有評估鄰近對手競爭力,進而優化自己、在生存競爭中脫穎而出的能力。

匍匐委陵菜。圖/wikipedia

植物事實上能夠藉由各種線索來察覺周遭其他競爭者的存在。例如:當光先通過其他植物的葉片再照到下層植物時,照光量以及紅光-遠紅外光的比例(R:FR)1會降低。這會引發植物產生不同的反應:

一種是對抗性垂直生長,透過快速生長來遮蔽鄰居;另一種則是促進自身的陰影耐受度(Shade tolerance)來掙扎求生。而某些主要以無性生殖為主的植物(clonal plants)2,還有第三種反應──改變生長方向,以遠離其鄰居。

此研究的主要作者 Michal Gruntman 教授表示:「這三種反應在文獻中都已有詳盡的記載,而我們還想知道,植物是否能根據自己與對手的相對體型、枝葉疏密程度做出合宜的選擇。」

為了回答這個問題,研究人員使用一種無性系植物──匍匐委陵菜Potentilla reptans作為實驗對象,並且設置了光競爭情境。他們使用垂直的透明綠色濾光片,來同時降低光量以及紅光-遠紅外光的比例,以模擬植物競爭光源的實境。藉由改變綠色濾光片的高度以及密度,研究人員可以提供這些植物不同的光競爭場景。

實驗結果發現,匍匐委陵菜確實可以根據競爭者來做出最佳的決策。當對手矮小且枝葉茂密,限制了匍匐委陵菜的水平生長時,大多出現了對抗性的垂直生長。而當對手又高又密,使得植株既無法在高度上競爭也無法從橫向躲避,則植株大多會忍受陰影。若是面對高但稀疏的對手,亦即橫向躲避成為唯一的生存方式時,大多數的匍匐委陵菜也出現了橫向躲避的行為。

這項研究揭露了植物可以藉由評估鄰近競爭者的密度以及競爭力來量身打造相應的手段,「對於生長在高度異質性環境的植物來說,能因應不同需求而做出最佳決策尤為重要。旁邊的植物可能會有不同的大小、年齡以及密度,需要選擇最佳的戰略來謀求生機。」Gruntman 教授說。這項研究提供了植物能夠整合環境中複雜資訊並做出應對的新證據。

註解:

  1. 紅光-遠紅外光比例(R:FR):一般光線中都有紅光與遠紅外光,植物葉片能吸收紅光但遠紅外光大多是穿透過葉片,不同的R:FR比例會對植物的生長型態造成不同影響。
  2. 無性系植物(clonal plants):透過無性生殖或複製而來的植物,彼此基因相同。能行無性生殖的植物並非不能有性生殖,通常會因環境決定生殖方式。
  3. 匍匐委陵菜(Potentilla reptans):薔薇科委陵菜屬的植物,在西伯利亞、中亞、非洲北部、歐洲到俄羅斯以及中國新疆都有分布。生長在海拔 500~600 公尺之間的田邊潮溼地帶,目前未有人工栽培。

參考資料

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別說螞蟻是工作狂,牠們更懂工作休息平衡
valerie hung
・2017/01/27 ・1375字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 503 ・六年級
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原來不只人類追求工作與生活間的平衡,密蘇里科技大學(Missouri University of Science and Technology)研究團隊發現,向來被人類當作工作狂代表的螞蟻,其實也在此道上摸索呢!

而研究員更進一步指出,當一部分的螞蟻正辛勤工作、尋找食物與各種資源時,有些螞蟻必須為了全體同胞休息,而且越龐大的螞蟻家族,誰工作誰休息的平衡就越顯重要。

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圖片來源: Pixabay

一直以來大家都很好奇為什麼和較小的螞蟻窩相比,大螞蟻窩的個體平均消耗能量反而更少?密蘇里科技大學生物科學系助理教授,也負責領導研究團隊的 Chen Hou 博士解釋:

「我們透過研究發現,那是因為大螞蟻窩裡有更多工人在『偷懶』,牠們不會四處奔波,能量自然就消耗的少。」

此外,團隊還觀察到隨著族群規模逐漸擴大,「待機」螞蟻佔整個族群的比例也會提升。例如,當螞蟻族群的規模落在 30 隻左右,會有六成的螞蟻工人在休息;當族群規模增加到 300 隻左右,休息的螞蟻則會增加到八成。「同時,能量測量顯示, 300 隻螞蟻家族的平均個體能量消耗量是 30 隻螞蟻家族的一半。」

也就是說,這些看似在懶惰的螞蟻,其實是在為整個族群節省資源,好讓族群更有生產力。此概念也許適合應用在人類社會,在積極工作與消耗能源間妥善分配資源,進而提升整體生產力。這份研究已經通過審查,即將發布在《昆蟲科學》( Insect Science)期刊上。

如果想獲得最多的資源,就需要群體中的每一個人火力全開,但也會因此消耗更多能量;反過來說,如果群體中的部份人適度休息,雖然資源獲取量變少,但整體消耗的能量也會降低。而研究團隊推測,螞蟻族群透過調配螞蟻工人的工作量,好在獲取資源與消耗能量間達到最佳化。

用電腦幫忙追蹤螞蟻們在做什麼

密蘇里科技大學電腦科學系助理教授尹朝征(Zhaozheng Yin),開發一套先進的電腦分析程式,幫助團隊用高清晰的畫面長時間記錄螞蟻的動態。這個系統還能自動分析每隻螞蟻在這段時間內的一舉一動,不用苦哈哈的靠研究員親自下去計算每隻螞蟻的座標。

透過這套自動化演算法,團隊從兩小時的紀錄影像中,分析出一個族群裡的每隻螞蟻平均移動速度都不太一樣,有的為秒速 2 公分,有的僅秒速 1.4 公分。

團隊也估算出一隻走路中的螞蟻,消耗能量約是休息狀態的螞蟻的五倍,也就是說,一隻走動的螞蟻使用的能量等於五隻休息的螞蟻。所以一個擁有 20% 活躍成員的螞蟻族群,和一個差不多規模,但全部成員都在休息的族群相比會消耗 1.8 倍的能源。

Chen Hou 博士解釋,偷懶的成員對族群來說是必須的,牠們的腳色是支援或緩衝,一旦群體突然面臨龐大的覓食壓力或有敵人來襲,待機成員的小宇宙才會開始燃燒。

「但目前還不清楚為什麼越大的族群,休息成員的比例就越高,未來我們將針對螞蟻的互動網路與行為繼續研究。」如果了解螞蟻根據族群規模安排工作與休息比例的秘密,就可能幫助人類群體在「永續經營」的前提下,最佳化每個人的工作量。

原始論文:

參考資料:

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