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從大彗星風蘭之謎到基因體解碼,蘭花的祕密都在這裡!來花博花舞館賞花兼長知識吧!

在我的一生中,最感興趣的莫過於蘭花了。

──達爾文致虎克信件

西元 1862 年,達爾文與大彗星風蘭 (Angraecum sesquipedale)首次相遇。大彗星風蘭在花的後方延伸出了長達 30~40公分的「花距」,這個特殊的構造徹底衝擊了達爾文對蘭花的想像,也成為他畢生未解的謎題。

大彗星風蘭。圖/Wilferd Duckitt from Darling, South Africa – 592A7605, CC BY 2.0,

蘭花困擾達爾文的多變特性,也正是其魅力所在。作為蘭花王國的台灣,形形色色的蘭花展出並不少見。欣賞其姹紫千红百態的同時,你是否曾經好奇過蘭花究竟為何、又如何發展出如此多樣的花色與種類呢?除了欣賞其美姿,形態多變的蘭花有哪些特點值得細細觀察呢?

今年台中世界花卉博覽會於外埔、后里、豐原三地盛大登場,呈現出台灣在花卉培育上令人驚豔的軟實力。其中在后里馬場園區的「花舞館」,以蘭花為主角,完整展現了其多樣性及台灣蘭花的產業發展及育種的成果,正是想認識蘭花最好的場所。接下來,就讓我們從蘭花的基本型態出發,一步步初窺這種大自然中最讓人腦洞大開的開花植物吧!

台中世界花卉博覽於后里馬場園區的「花舞館」,以蘭花為主角,完整展現了其多樣性及台灣蘭花的產業發展及育種的成果。攝影/莊貴竣

就是要不一樣!從「標準」一朵花談起

開花植物最「標準」的一朵花,主要有四個基本構造:萼片、花瓣、雄蕊及雌蕊。而在蘭科植物中,雌蕊和雄蕊會合生在一起,這個特殊的構造被稱為「蕊柱」。

右圖為龍膽科的新店當藥(Swertia shintenensis),它的花四個基本構造萼片、花瓣、雄蕊及雌蕊都很分明;左圖為蘭科繖花捲瓣蘭(Bulbophyllum umbellatum),雌蕊跟雄蕊明顯合生為蕊柱。攝影、製圖/莊貴竣

而蘭花的花瓣也多由「大家都一樣」的單一形態,演變成「我們不一樣」的差異外型。

右圖為香蘭(Haraella retrocalla);中為蓬萊隱柱蘭(Cryptostylis taiwaniana);左為台灣金線蓮(Anoectochilus formosanus)攝影、製圖/莊貴竣

另外大多數的蘭科植物還有個很重要的特色,會將成千上萬的花粉集結成「花粉塊」(如下圖所示)。

攝影、製圖/莊貴竣

因此單次成功授粉,就能夠形成上千至數十萬顆的種子。驚人的種子數量也造就了無數的的形態差異,原生的蘭科植物現今將近三萬種,占了開花植物將近 10%的種類,也因而成為達爾文醉心研究的類群。

透過達爾文的眼睛看蘭花

本次就讓我們先透過達爾文的觀點,穿梭在花舞館中一同認識豐富多樣的蘭花類群吧!踏入花舞館的展區,昏黃的燈光會將你引導走進達爾文的長廊當中,時光倒轉回到 9000 多萬年前,回到蘭花的演化起點:擬蘭亞科 (Apostasiodeae)。

擬蘭亞科的花朵形態,基本上還沒有開始「與眾不同」,顛覆了我們前面對蘭花的基本認知;此時它們還具有分開的雌、雄蕊,花瓣型態幾乎完全相同且輻射對稱,花粉粒還是維持散生的原始型態,棲息的環境皆為地生性。但隨著演化的腳步,緊接著出現的類別就開始「搞怪」:包括梵尼蘭亞科 (Vanilloideae),喜普仙履蘭亞科 (Cypripediodeae)、蘭亞科 (Orchidoideae),以及樹蘭亞科 (Epidendroideae),它們呈現出兩側對稱、具有特殊形態花瓣的特性、散生的花粉也集結形成花粉塊,棲息的環境也從地生性拓展成附生性、岩生性的多種可能。

這些變化也會影響與蘭花互動的授粉者(如昆蟲)其種類與行為,而一旦授粉者發生了變化,也會再回過頭來成為影響蘭花外型的重要因子,因此在長期共同演化的過程中,蘭花的變化往往超乎人類的想像。在花舞館達爾文長廊的尾端,便娓娓道出了大彗星蘭的故事:

達爾文當時就大膽預測,與大彗星蘭互動的授粉昆蟲,口器可以伸長超過30公分,才能獲取大彗星蘭花距末端的花蜜並且協助大彗星蘭的花粉傳播;但這個假設直到達爾文辭世的那天,都沒有獲得證實。一直到40年後,謎團的解答,一種有如神話般的天蛾(Xanthopan morgani praedicta)才在馬達加斯加島被發現。

蘭花就是這麼充滿驚奇的物種,但到底為什麼它們會具有這麼高度的多樣性呢?這些變化又有什麼用途呢?不妨就走進花舞館,一步步揭開蘭花的神秘面紗吧。

門道在這裡:各式各樣的「唇瓣」

讓我們先從蘭花的基本形態看起:由內而外,位於花朵最外部是三片萼片(如下圖橘色圓點所示);內輪的三片則為花瓣(如圖中粉紅色正方形所示),而其中,與蕊柱(圖中藍色三角形所示)相應的花瓣被稱為「唇瓣」,其形態在蘭花中最為多變。

唇瓣由於位置的關係,時常具有提供授粉昆蟲停棲、甚至是肩負吸引授粉昆蟲的重要使命,所以在蘭花與授粉昆蟲共演化的歷程中,唇瓣往往出現天翻地覆的變化。因此在觀賞蘭花時,也不妨留意許多種類的唇瓣以及萼片都出現特殊的形態喔。

以下舉幾個種類來看看特寫:

拖鞋蘭屬的唇瓣會特化成大型的囊袋狀,作用在於讓授粉昆蟲掉落後能引導其順著囊袋往上到達上方的蕊柱,協助兩側花粉塊的傳播。

日本風蘭屬的唇瓣則是會向後延伸出一個短距,裡頭能夠分泌花蜜,吸引具有長口器的授粉者前往取食。

石斛蘭屬中有一群來自澳洲、菲律賓及爪哇的羚羊石斛,除了艷麗的唇瓣外,兩側的萼片會不斷反卷並垂直向上伸展,形成有如羚羊般的長角。

豆蘭屬兩側的萼片會相對延長,形成尖尾狀,所以相比較之下,唇瓣便比較沒那麼顯眼,但是如果稍微遇到震動或氣流,唇瓣可是會上下擺動的喔。

因為授粉時與授粉昆蟲接觸角度的影響,天鵝蘭屬的蕊柱演化為特別延長的型態,形成有如天鵝般的長頸。

除此之外,還有太多花部形態上有趣的變化,像是外型、顏色對比、線條及斑點,都等著你自行來發現喔。

來花博花舞館賞花兼長知識吧!-1

另外仔細觀察的話,還可以找到所謂「三唇瓣」或「重瓣」的特殊現象。這些可能是自然繁殖過程中所出現的體細胞變異,或是因為後天科學家透過誘導基因表現所形成的特殊種類,所以當你細細品味花瓣及萼片的各種變化時,這或許是一個意想不到的驚喜喔。

左為重瓣石斛蘭,右為三唇瓣的石斛蘭。

離地不失水:蘭花的「假球莖」

蘭花演化到後期,除了紮根於腐植質土壤的生活方式,也出現了許多能夠附著在大樹表面或岩石表面的種類。有別於蘊含水分及養分的土壤,大樹及岩石的表面幾乎留不住水分,因此這些附生性的蘭花演化出了「氣生根」的構造來吸收空氣中的水氣,並且為了能夠儲存水分及養分,更演化出抵抗乾旱的重要構造「假球莖」。不同的種類假球莖的形式也大不相同,有些呈現卵形,有些則是棍棒形、圓柱形、竹筍形。在下面的相簿中,讓我們來看看假球莖能夠有什麼樣的變化吧!

觀察蘭花的假球莖

  • (點擊圖簿可看更多精彩的畫面喔)

在台灣這塊土地上的蘭花們

你知道嗎?在面積僅有三萬五千多平方公里的台灣,就有高達一百零一屬,超過四百種以上的原生蘭花,可以說是名符其實的蘭花王國。本次在花舞館的現場,仔細尋找就能夠發現許多台灣原生蘭花的蹤跡,和其他各國的特色蘭花同場競艷,其中還有許多是侷限分布或是數量稀少的種類,可以說是十分難得的機會喔。

各種台灣原生的蘭花都在這裡啦

  • (點擊相簿可看更多精彩的畫面喔)

在驚艷於台灣原生蘭種在大自然所演化出的萬千姿態後,更別忘記台灣農民這些年來在台灣所發展出來獨步全球的育種技術。除了傳統的選拔育種、雜交育種之外,透過各研究單位對於蘭花基因密碼與其調控功能的了解,誘導或抑制特定基因表現,成功的創造出了更多不同性狀的蘭花。再搭配上分工詳盡的組培技術,讓這些具有優秀性狀的品種能夠以穩定的品質與數量打響台灣在國際上蘭花王國的品牌。

花舞館的展示中,以壯觀的蜂巢的結構展現了台灣蘭花育種的多樣性成果,每一格美麗的展品都是台灣農民辛苦孕育的品種,上面的裝飾則象徵了遺傳物質中鹼基的基本形式。

關於蘭花的謎團:解答的開始

2014年,成功大學與國際團隊共同合作完成了桃紅蝴蝶蘭的全基因體解序,這也是全球第一個全基因體解序的蘭科植物;而2017年9月,成大團隊又進一步針對原始的擬蘭完成了全基因體解序。最原始的擬蘭亞科,以及演化後期所出現樹蘭亞科的遺傳密碼皆被破解,未來只要有更多研究,透過分析與對比遺傳密碼,科學家將能夠開始解開眾多有關蘭花的謎題:唇瓣及萼片的外型及顏色是如何被調控?蕊柱及花粉塊的形成又是藏著什麼樣的秘密?蘭花能夠附著在樹上及岩石上生長有哪些關鍵原因?這些困擾達爾文多年的疑問,終於開始獲得解答。

在花舞館一樓展區的最末,策展團隊布置了一組「達爾文的書桌」,在此處彷彿還能感受到達爾文當時觀察大彗星風蘭時的悸動。而與書桌相互遙望的佈置,則是未來對於蘭花智慧掃描系統的願景規畫。從傳統的採集觀察到現代的基因分析,關於蘭花多樣性的拼圖正一片片拼上,但也還有更多更多連問題都難以名狀的謎團等著我們去探索!

台中花博花舞館「達爾文的書桌」

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本文由台中市政府新聞局委託,泛科學企劃執行


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