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為何苦瓜還會苦?人類「挑食」如何影響作物馴化?台大團隊破解苦瓜不為人知的歷史

李承叡
・2020/05/29 ・2547字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

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  • 文\李承叡│台灣大學生態學與演化生物學研究所&植物科學研究所

好奇過餐桌上的苦瓜是哪來的嗎?你知道除了苦瓜排骨湯常用的白玉苦瓜和常拿來炒鹹蛋的綠苦瓜,還有各式不同大小、顏色、及形狀的苦瓜嗎?要破解這些問題,許多珍貴的遺傳資源平時就儲藏在農作物種原中心,等著我們去挖掘!

台灣大學的李承叡老師團隊近期和日本研究者以及亞蔬–世界蔬菜中心合作,一同破解了苦瓜的基因體序列,並利用種原中心的收藏,揭開苦瓜不為人知的歷史!

從基因體序列分析發現,苦瓜野生祖先與栽培品系大約在六千年前分家,表示栽培用苦瓜大概在那個時候開始被馴化。栽培品系又可分為南亞(印度、孟加拉)與東南亞(包含東亞苦瓜)兩大群,前者含有較多的遺傳多樣性,顯示印度次大陸是苦瓜的馴化起源中心。大約在八百年前,東南亞族群又從南亞分化出來。

栽培苦瓜的果實顏色、形狀差異甚大。圖\Dey et al (2006)

苦瓜的馴化:一個非典型的故事

野生植物很難被人類直接利用(=不好吃)。廣義來說,馴化指的是人類主動從野生物種的多樣性中挑選出人們喜好的性狀,進而將這些品系形塑成便於人類利用的樣子

經過農夫們數千年的篩選,農作物最後常會擁有與野生祖先型完全不同的樣貌。最有名的例子是玉米與它的祖先大芻草 (teosinte) :相較於玉米,大芻草植株的分枝多、每一果穗上的果粒少、果粒堅硬,與今日皮薄多汁的玉米差異非常大。

圖中左側為大芻草 (Teosinte) ,右側則為現代人們常吃的玉米 (Modern Corn) ,不管口感及顆粒數量都差異甚大。圖\Credit: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation

相較於野生苦瓜(果實頂多五公分長、重十多公克),大家熟悉的白玉苦瓜(屬於東南亞族群)果實可以超過二十公分、重達數百公克。這之間的差異當然是由長年強烈又具有單一方向性(增加果實大小)的人為選擇造成的。

但苦瓜的故事其實頗為複雜!除了白玉苦瓜,世上有許多不同的栽培苦瓜品系:果實從小到大、顏色從深綠到白、果皮從光滑到充滿稜脊。再加上遺傳資訊細究下來,有些品系的遺傳背景屬於栽培族群,但果實外貌像野生的。甚至有些人會把野生苦瓜直接拿來栽培,因為喜歡它的強烈苦味。

所以當我們把視野放寬,看到各種連續性的變異之後,所謂野生 vs. 栽培品系的概念在苦瓜身上似乎就變得比較模糊了。

栽培苦瓜的各種變異差距頗大,除了反映遺傳架構,也與不同區域人們有不同喜好有關。圖/Mccreight et al, 2012

苦瓜這樣多變化的差異很可能跟人們的不同喜好有關:相較於東南亞,南亞的人偏好較小(雖然還是比野生品系大)、苦味較強的苦瓜。在農作物馴化的過程中,人擇引導作物改變的方向。當人們對作物的偏好不一致、沒有強烈又單一方向的選擇的時候,各式栽培品系就會被人們的不同喜好形塑地更多樣了。

以後當你想問「為什麼不把苦瓜育種成完全不苦」的時候,別忘記了,其實有不少人是因為它的苦味才去吃它的喔!

為什麼性狀可以這麼多變?「遺傳架構」的排列組合

大家一定都對國中學過的孟德爾遺傳定律很熟悉:單一基因控制單一性狀的類別性差異。類別性就是非 A 即 B 的基因表現,比如,一個基因的突變就能把髮色從黑變褐。

孟德爾的遺傳定律中,提及控制部分植物性狀的原因主要在於特定基因的單一突變。圖\wikipedia

但其實這在自然界中只是特例,自然界絕大部分的性狀都是數量性連續性,比如我們的身高和體重;而不是類別性的。許多數量性狀是由多個基因一起控制:有的基因影響較大,有的影響較小。一個性狀到底由多少基因控制,每個基因又有多大的影響?這就是每個性狀不同的遺傳架構 (genetic architecture) 。

那麼玉米與大芻草的例子,是因為科學家們只看到了連續性差異的兩個極端嗎?

許多經典的馴化性狀都是類別性的,比如從大芻草的植株多側芽到玉米的單一主莖;或是野生水稻成熟後會落粒,而栽培水稻品系不會。這些類別性的外表差異通常是典型的孟德爾性狀,而且科學家們也已經找出控制這些性狀的單一突變。所以這些農作物馴化的典型例子,並不是因為科學家們只關注連續性差異的兩個極端,而是因為這些性狀本身的遺傳架構就偏向孟德爾遺傳

實際的研究討論中,性狀本身是屬於哪種遺傳架構,是屬於數量性、連續性的變化,亦或是類別性的差異,以及人們實際上的偏好是否明確,都對作物馴化最後的表現有很大的影響。

你說的苦瓜,是怎麼樣的苦瓜?

因此在苦瓜這個非典型的馴化的例子中,事情並沒有我們想像的那麼簡單!如前所述,不同地區的人們可能會有不同的食用偏好,這也造成不同基因型會在不同的地區被選拔下來。

從果實型態來說,東南亞的栽培族群型態比起野生或南亞栽培族群更加極端(果實更大、顏色更淺、表面更光滑)。透過基因體資訊,我們也發現東南亞栽培族群在與南亞族群分開後,近一千年內受到強大的人為選擇壓力。

南亞栽培族群雖然早在數千年前就與野生祖先型分家,我們卻無法從基因體資訊偵測到針對性狀的強烈人擇,這可能也跟當地人們並不特別偏好又大又白的苦瓜有關,而苦瓜果實大小是個多基因遺傳的性狀。

有趣的是,我們發現在東南亞族群受到強烈人擇篩選的幾乎都是對性狀影響較小的基因。換言之,在未來有可能透過進一步的育種,篩選出對性狀影響較大的這些基因!

演化基因體學 + 農作物種原多樣性,蹦出育種新滋味

筆者之前的研究為演化基因體學,利用基因體資訊重建族群過去的歷史,並找出影響物種演化的重要基因。目前與各國農作物種原中心合作,希望探究亞洲農作物的馴化歷史以及對獨特環境的適應性。最後更希望能從研究農作物種原多樣性的過程中,找到育種改良的契機。

筆者最後要感謝科技部年輕學者養成計劃(哥倫布計畫)的大力支援,讓筆者團隊得以利用跨領域的知識展開新的研究方向。

論文原文請見:Long-read bitter gourd (Momordica charantia) genome and the genomic architecture of domestication

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李承叡
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1644字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 541 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111