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香蕉也有身分證!找到抗黃葉病品種的 DNA 特徵,保護台蕉專利權

研之有物│中央研究院_96
・2020/03/05 ・4093字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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

  • 採訪編輯|張容瑱、美術編輯|林洵安

「以前只會吃香蕉,不會特別關心香蕉。」中研院農業生物科技研究中心陳荷明副研究員,過去研究主題無關香蕉,也沒有想過自己有一天會研究香蕉,但有鑑於香蕉黃葉病影響甚鉅,加入了研究的行列。她帶領團隊運用基因序列資料分析,找到鑑定台灣抗黃葉病香蕉品種的分子標誌,保障台灣香蕉的品種專利權。跟著研之有物一起來了解!

抗黃葉病品種的分子標誌

處處買得到的香蕉,好吃、便宜又很方便,剝開皮就可以吃,兩三口就吞下肚,因為果肉裡沒有籽,不需要一邊吃一邊吐籽…… 等等!你有沒有想過:香蕉沒有籽,怎麼繁衍下一代?

香蕉便宜又美味,不需要一邊吃一邊吐籽。台灣的香蕉在國際上更是高級蕉代表,被譽為香蕉王國。
圖片來源│iStock

香蕉,其實有籽……

切開香蕉,果肉中軸附近有一些黑點,有些比較明顯,有些幾不可見。這些黑點正是香蕉已退化或發育不良的種子。因為市面上的食用香蕉大多是三倍體,也就是有三套染色體的華蕉。三倍體的香蕉會開花、會結出果實,但沒辦法發育出正常的種子。

人類是二倍體,有兩套染色體,一套來自父親、一套來自母親。像香蕉這樣染色體超過兩套的,稱為「多倍體」,這在動物界很少見,在植物界卻相當普遍,像小麥是六倍體,草莓則是八倍體。由於多倍體結的果實通常比較大,而且相較於二倍體來說,有更多染色體可儲存基因,具備比較多樣的性狀,在農業上有許多應用價值。而且三倍體的香蕉種子會退化,能讓果肉吃起來柔軟滑順。

有些香蕉仍有明顯種子,它們是二倍體、四倍體,種子又黑又硬、大小如木瓜籽。三倍體的香蕉,則是二倍體和二倍體,或是二倍體和四倍體香蕉雜交而來,例如:一個二倍體親代提供一套、另一個二倍體親代提供兩套,結合成三倍。三倍體香蕉種子不能正常發育,只剩下種皮。資料來源│ 蘇柏諺 (陳荷明實驗室)圖說重製│林洵安

沒有種子,怎麼繁殖?香蕉採用「營養繁殖」,利用從塊莖冒出來的「吸芽」產生新的植株。栽種時,農民可直接挖取母株旁邊由吸芽發育長成的小香蕉樹,移植到另外的田地上,或是向蕉苗場購買利用組織培養產生出來的香蕉苗。無論用哪一種方式栽種,母株和子株的基因幾乎是一樣的,保障香蕉的優良品種。

但,保留品種的反面,即缺乏基因多樣性。一旦現存品種對於某種疾病沒有抵抗力,即將面臨全面性的滅種危機……

黃葉病:香蕉的瘟疫

香蕉大滅絕,沒有香蕉吃——這可不是危言聳聽,而是真實發生過。一百多年前中南美洲主要栽種的香蕉品種是「大米七」,雖然外皮比較厚,但是香氣濃郁,果肉超甜,據說比現在的華蕉更美味。 1900 ~ 1960 年間,香蕉黃葉病肆虐,導致大米七幾近滅絕。

香蕉黃葉病又稱「巴拿馬病」,是一種叫做「尖孢鐮刀菌古巴專化型」的真菌所引起,這種真菌能以(厚壁)孢子的型態在土壤裡存活超過三十年,經由土壤、灌溉水或附著在農具或車輛上,四處傳播、感染栽種在田裡的香蕉。罹病的香蕉會由下方老葉葉緣先黃化,然後逐漸擴大,最後整株枯萎死亡。罹病的香蕉植株如果隨意丟棄,也會傳播病菌,難以防治。

所幸,後來可抗黃葉病的華蕉取代了大米七,成為目前全世界主要栽種的品種,人們才又有香蕉可以吃,臺灣的主力品種「北蕉」就是屬於華蕉。

然而,黃葉病的威脅並沒有遠離。1967 年台灣屏東縣佳冬地區的蕉園首次出現熱帶第四型黃葉病,罪魁禍首是尖孢鐮刀菌古巴專化型的第四型生理小種。華蕉雖然可以抵抗舊型的黃葉病,卻無法抵抗這種新型黃葉病。1990 年代,新型黃葉病繼續入侵東南亞,2013 年證實已入侵南亞、中東、非洲及澳洲的香蕉園!

香蕉研究所,培育抗黃葉病品種

至此,全世界無不想辦法拯救香蕉的滅種危機,其中包括培育能抵抗新型黃葉病的香蕉新種,例如:台灣香蕉研究所培育的寶島蕉(又稱台蕉四號)、台蕉五號和七號,其中台蕉五號在台灣、寶島蕉在菲律賓皆已有商品化,除了抗病,也直接有經濟產值。一旦華蕉全面性的毀滅降臨時,這些可抗新型黃葉病的品種將會成為蕉農的救星。因為尖孢鐮刀菌很難用殺真菌劑殺死,又能潛藏在土壤中數十年,難以從田地中清除,改種抗病品種可說是解除黃葉病威脅最好的策略之一。

三倍體的華蕉,雖然會開花,但花無法受孕產⽣種⼦,因此必須以組織培養孕育新種。台灣香蕉研究所的研究員,在香蕉苗的組培階段,誘導植株突變,增加基因多樣性,再將香蕉苗種回疫區田間,挑選出存活的抗病栽培種,最終培育出可抗黃葉病的寶島蕉、台蕉五號、台蕉七號。
資料來源│蘇柏諺 (陳荷明實驗室)
圖說重製│林洵安

問題來了!未來如果將抗病品種推廣到其他國家,必須防範別的國家買了少量香蕉幼苗後,利用組織培養大量盜用。但過往作物多由植株或果實的外型做為分類,不容易分辨,爭議時也較難舉證。

為此,陳荷明研究團隊發揮基因序列資料分析的專長,找到了寶島蕉、台蕉五號和七號 DNA 上特殊的序列,一旦有人盜用,就能從這些獨特的 DNA 序列,也就是分子標誌,鑑定出該品種是否源自台灣香蕉研究所。

香蕉的身分證:具專一性的分子標誌

想要正確區隔出品種,分子標誌必須有專一性,以達到可信任的辨別度。陳荷明的研究團隊先把香蕉會表現的基因定序出來,利用電腦程式比對北蕉和抗病品種,找出哪些 DNA 序列不一樣,將有差異的序列一個個挑出來,進一步比對各個品種之間的差別,從中選出單一品種特有的分子標誌,作為鑑定品種的依據。

定序之後,比對寶島蕉與北蕉的基因序列,找出不一樣的地方做為寶島蕉的分子標誌候選者。再將候選的分子標誌和台蕉五號、台蕉七號及常見的栽培品種的序列比對,找出只有寶島蕉才有、其他品種都沒有的最佳分子標誌。研究團隊會為一個品種挑選大量分子標誌,再三確認,以確保可信度。
資料來源│蘇柏諺 (陳荷明實驗室)
圖說重製│林洵安

找到各個品種特有的分子標誌之後,陳荷明的團隊開發出兩種鑑定分子標誌的方法。

方法一:使用限制內切酶切割特定 DNA 片段。限制內切酶可與特定的 DNA 序列結合,將序列從中間切斷。它的專一性很高,如果序列有一點點不一樣,它就沒辦法結合、切斷序列。再用電泳法分離切割後的 DNA 片段,片段越小跑得越遠,如此一來,從電泳圖上條帶的數量和位置即可鑑定品種。

實際做法是:挑選一個 DNA 片段,如果受測基因序列屬於一般北蕉(不抗新型黃葉病),片段會被切斷,電泳會出現兩條線(代表被切斷後兩個較小片段)。如果這段基因序列屬於抗新型黃葉病的台蕉(如寶島蕉),片段無法被切斷,就會多出一條代表完整片段的線。這種方法費用相對便宜,而且不到三個小時就能知道結果。但不是所有找到的品種特有序列,皆能找到適當的限制內切酶來分辨。

以一般北蕉來說,用特定限制內切酶去切特定分子標誌所在的 DNA 序列,北蕉的 DNA 序列會被裁切成兩段,跑電泳後,電泳圖下方出現兩條條帶,表示較短的兩個片段。
資料來源│蘇柏諺 (陳荷明實驗室)
圖說重製│林洵安
寶島蕉該處的 DNA 序列與北蕉有差異,限制內切酶無法切斷 DNA 序列,跑電泳後,可發現電泳圖多出一條完整片段的條帶,形成三條色帶。為什麼不是一條線,而是三條線?北蕉有三套染色體,但變異通常只發生在其中一條染色體上,所以無法被裁切的序列大概只有三分之一,另外三分之二還是會被裁切。
資料來源│蘇柏諺 (陳荷明實驗室)
圖說重製│林洵安

方法二:經由聚合酶連鎖反應大量複製分子標誌的 DNA 片段,然後以「桑格定序法」(Sanger sequencing),進行專一性片段的定序。簡言之,桑格定序能直接檢測出 DNA 片段上 ATCG 四種鹼基的排列順序(一般交由提供定序服務的廠商處理),檢查序列上特定位置是否有變異,就可以確認品種。

桑格定序法費用較高,定序時間比較久,但準確性高,目前陳荷明提供香蕉研究所的品種特有分子標誌,都能以桑格定序來檢測。

舉例來說,北蕉有一段序列是 GAAT,台蕉五號為 GACT,第三個鹼基的位置,在北蕉為 A,在台蕉五號則突變為 C,以此段序列作為鑑定台蕉五號的分子標誌。把未知品種該處的 DNA 片段拿去定序,測定出來的序列如果包含 GACT,就能知道該品種為台蕉五號。
資料來源│蘇柏諺 (陳荷明實驗室)
圖說重製│林洵安

創新的檢驗方式,研發開端可謂篳路藍縷,除了要整合多種現有序列分析工具,嘗試不同參數設定,甚至得自行編寫程式!由於要比對的序列非常龐大,沒辦法用人工逐一比對,必須靠電腦運算。不是資訊背景出身的研究助理侯博瀚,自學程式設計,編寫程式比較北蕉與抗病品種間序列差異,實驗才能進行。之後,博士後江明豪和研究助理蘇柏諺針對找到的北蕉與台蕉差異序列,以多個在地及國際常見香蕉品種,進行廣泛地測試,終於驗證分子標誌的專一性。

那麼,陳荷明團隊的下一步呢?「既然找到抗病品種的特殊序列,是否能從其中找到抗黃葉病的基因呢?」事實上,確認抗病品種的分子標誌來區分香蕉品種,只是最基礎的工作。陳荷明和許多與黃葉病對抗的科學家正分頭努力,最終希望找到香蕉抗黃葉病的基因,掌握抗病的機制,幫助香蕉擊退黃葉病,讓蕉農有香蕉可種,民眾永遠有美味又方便的香蕉可享用。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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