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藏在玉米田裡面的遺傳大秘密,為人類帶來什麼貢獻?

研之有物│中央研究院_96
・2019/02/27 ・3503字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|張語辰

為什麼要研究植物「減數分裂」?

氣候變遷迫使農田休耕、作物歉收,人類需要體質更優良也更美味的作物。一直以來,科學家利用「遺傳育種」,從大自然的遺傳多樣性中,透過有性生殖篩選保留優良的基因組合。在中研院植物暨微生物研究所王中茹的實驗室裡,透過超高解析度顯微鏡觀察玉米染色體世界,正在破解同源染色體如何重組的謎團。其中,發現蛋白質 DSY2 是解開謎團的第一個線索。

「遺傳育種」運用的機制之一為:當生殖細胞進行減數分裂時,來自爸媽的同源染色體交換部份 DNA 片段、產生新的基因組合,像「天然洗牌」般完成基因重組。這看似簡單的育種過程,困難關鍵之一在於發生染色體重組的「位置」和「數目」有許多限制。

王中茹與研究團隊發現,當玉米的生殖母細胞進行減數分裂時,有一個關鍵蛋白質 DSY2 會影響 DNA 斷裂和互換。這基因重組的過程,是育種學家尋找更多有用的基因、產生更多遺傳組合,以培育更優良品種的基礎。

王中茹研究團隊鑽進顯微鏡的世界中,發現促成玉米基因「 天然洗牌」的關鍵蛋白質 DSY2 。
攝影│張語辰

探討基因如何透過「天然洗牌」重組的過程,也就是研究「減數分裂時的染色體互換」。雖然是國際趨勢,但在台灣很少人在作物上分析其中的分子機制。因為這類基礎研究不會有什麼立即性的大發現,需要愚公移山的時間與精力。王中茹與相當年輕的團隊,憑著渴望了解新事物的好奇,在這個領域中執著於尋找控制基因重組的關鍵,除了滿足對遺傳學的熱情,更希望可以縮短育種的時程,找到解決糧食危機的機會。

要迅速了解 DSY2 蛋白質的功能,就像要迅速破關瑪莉歐遊戲一樣困難,如果早已忘記國高中課本教的「減數分裂」、「染色體聯會」等內容,讀到這裡可能會怒關視窗。但別急,本文從王中茹的研究生涯專訪說起,像愛麗絲掉進兔子洞般,縮小自己進入顯微鏡的奇幻世界,發現以前課本不會教的染色體奧妙。

擁有人生中第一台顯微鏡,是什麼時候?

國小三年級時,我梭哈自己畢生存的壓歲錢,買了一台兩千多元的兒童型顯微鏡,看到細胞的瞬間我真心覺得『太~酷~了~!』

「水田裡、池塘裡、沙子裡任何東西,可以放在顯微鏡上的我全都拿來看。那時候不認識顯微鏡底下的微生物、草履蟲,也還沒有網路,我哥就拿他的國中課本讓我查,或一起去圖書館找資料,漸漸對顯微鏡中的世界感到神奇。我很喜歡用顯微鏡探索未知的事物,這種新鮮感促使我走上研究染色體和 DNA 這條路。」王中茹興奮地回憶。

超高解析度螢光顯微鏡中的世界不只美,更能發現人類肉眼看不到的細胞奧妙,圖中可以看見玉米染色體的「聯會複合體」結構。此照片獲得 2009 年 OLYMPUS BioScapes 比賽世界第二名。 
顯微鏡攝影│王中茹

第一次看到染色體,是什麼心情?

「第一次看到染色體是大學就讀台大植物系的時候,在遺傳學實驗中觀察洋蔥的根尖細胞。但印象最深刻的是,在研究所細胞遺傳學的實驗中,我們抽了自己的血、養了自己血裡的淋巴細胞,做了自己染色體的核型、排出每一條染色體、觀察染色體的數目和大小,這一切讓我興奮地不得了!」從王中茹的眼中,看見漫畫人物般熊熊燃燒著的火光。

爸爸媽媽在世上能找到彼此已經很不容易,當精子和卵子相遇,才形成「我」。在我的生殖細胞中,他們的染色體還要重新尋找彼此配對,才能傳到我的下一代,這不是很浪漫嗎?

染色體為什麼要在細胞中重新尋找彼此配對?這是生物有性繁殖中最重要的「減數分裂」過程,有減數分裂才能確保爸媽、小孩、孫兒輩都是 23 對染色體,不會生出染色體以倍數成長的子孫。

而在減數分裂過程中,同源染色體會互換一部分 DNA 片段,配對互換的過程可確保正確地將一套染色體傳到細胞中,同時讓爸爸和媽媽給的基因在「我」的生殖細胞透過「天然洗牌」重組,增加更多的遺傳變異性。

這種奧妙的遺傳現象,發生在每一次的減數分裂中,在生物學上極為重要。透過顯微鏡觀察玉米減數分裂如何發生,了解這必要的細胞分裂機制,若能掌握發生的關鍵,就有機會透過控制染色體互換與基因重組,加速育種效率,培育出玉米界的馮迪索抵抗致命氣候,不只強壯也很美味。

爸爸和媽媽的染色體,在細胞中要尋找彼此、配對互換 DNA,才有機會生出更好的下一代。
圖說設計│林婷嫻、張語辰

基因會「天然洗牌」的生物那麼多,為什麼特別研究玉米?

王中茹崇拜地指著 Barbara McClintock 的照片說:「我在大三時對於一直死背教科書中已知的知識感到枯燥、迷惘,那時看了《玉米田裡的先知》這本書,受到 Barbara McClintock 啟發。

王中茹的辦公桌後方貼著偶像 Barbara McClintock 的照片,她終身致力於玉米細胞遺傳學研究,因為發現跳躍基因,被認為是「玉米田裡的先知」。
攝影│張語辰

她是細胞遺傳學家,當時的研究技術還沒有現在這麼先進,她透過長期觀察顯微鏡、做遺傳實驗,在 1940 – 1950 年代就發現基因會從染色體的原本位置跳躍到另一處。但當時的科學家無法想像、也無法理解這麼先驅的發現,加上 Barbara McClintock 是女性不受重視,實驗室就被迫搬到整棟樓最陰暗的角落,就算到處演講也沒有人在乎。她仍然堅持自己的研究幾十年,直到 1983 年才正式得到諾貝爾獎的肯定。

「這個故事雖然辛酸苦情,卻喚醒我小時候透過顯微鏡,看到微小新世界的那股興奮,因為受到 Barbara McClintock 這位細胞遺傳學家的影響,後來我讀台大植物系碩士班時就找了細胞遺傳學的陳其昌老師,從研究菸草的核型開始,博士班時轉為研究螢光定位標記玉米 DNA 的方法和遺傳圖譜。」

玉米是國際間重要的糧食作物,產量和價格都持續攀升。
資料提供│王中茹

「想提高玉米的體質和產量,要從玉米基因組解序下手,了解哪些基因代表玉米的哪些特性。但當年解序時, DNA 片片斷斷位於染色體各處,拼組起來很困難,科學家需要一種方法來分類、指引哪一段 DNA 位於哪一條染色體上,讓研究更好運作。因此我讀博士班時投入大量時間研究『螢光原位雜交 (簡稱 FISH )』技術如何應用在玉米上,建立染色體圖譜,既可增加了解玉米染色體的組成,也有助克服解序時拼組片段遇到的困難。」王中茹搭配當年的研究照片說明。

A圖:壓扁處理的玉米染色體。C圖:維持 3D 球狀的玉米染色體。將選擇好的 DNA 用會發光的染料標記,發螢光的 DNA 會到染色體上尋找和自己互補的 DNA,這種「螢光原位雜交 (FISH)」技術有助科學家了解染色體。
資料提供│王中茹

另外一個讓王中茹堅持研究玉米的原因是,玉米的花粉母細胞比阿拉伯芥、酵母菌的大很多,透過超高解析度顯微鏡可以很清楚地看到細胞減數分裂的過程、染色體如何配對互換 DNA 。而玉米雄花穗有上千個花藥,其中的減數分裂細胞在花穗上依序進入減數分裂,這個特性讓我們容易取得大量同步和相鄰階段的細胞,阿拉伯芥、水稻、哺乳類等其他模式物種都沒有這種研究上的便利。

「當玉米的花藥生長到 1 公厘時,1 個花藥中的 600 個細胞會同時進行減數分裂,並且開始 複製、 DNA 打斷、配對、重組、同源染色體分離……等步驟,我們透過流式細胞儀,將上萬個同時進行減數分裂的細胞一顆顆分離出來,以大數據的角度運用蛋白質體學 (Proteomics)、基因組學 (Genomics) 分析,就能從玉米身上發現別的物種無法提供的資訊,例如哪一段區域的 DNA 和別的區域很不一樣,進而找到影響 DNA 打斷的關聯。」像是發現寶藏般驚喜,王中茹強調研究玉米的優勢。

玉米的花粉母細胞不但很大,同時進行減數分裂的細胞更高達上萬個,這是玉米給我們得天獨厚的大數據資料,能發現什麼就靠我們把握。

在本文中透過王中茹的研究生涯 Q & A,一步步認識染色體、DNA、減數分裂與研究玉米的重要性,而王中茹研究團隊發現什麼關鍵,不但增進科學家了解植物的減數分裂,更可能有助解決糧食危機?將於下篇〈破解!玉米沒告訴你的「基因洗牌」關鍵〉揭曉。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為玉米染色體有什麼好看?專訪細胞遺傳學家王中茹,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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