臺灣水韭基因定序 夜間吸收CO2循環機制解鎖登國際期刊

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原文：全球首例！臺灣水韭基因定序 夜間吸收CO2循環機制解鎖登國際期刊

游昇俯  20220110

生長夢幻湖水中的臺灣水韭。（圖片提供／林試所）

分布在陽明山國家公園夢幻湖的臺灣特有種「臺灣水韭」，能生存於水中，也可在極度乾燥條件下休眠1年後復水甦醒，為釐清其耐旱之謎，農委會林業試驗所與清華大學、美國康乃爾大學研究團隊，完成臺灣水韭基因組定序，是全世界第一個基因定序的水韭，研究發現臺灣水韭景天酸循環（CAM）調控基因迥異於已知耐旱植物，登上國際權威期刊《Nature Communications》（自然通訊）。

林試所表示，水韭起源於距今約2.5億年前的三疊紀早期，高大樹狀近緣植物類群，現均已滅絕，獨留低矮草狀的水韭至今，堪稱「水陸兩棲植物」。臺灣水韭長年生長於水中，卻有著沙漠植物常有的光合作用方法「景天酸循環」。

1971年兩名臺灣大學植物科系研究生在夢幻湖畔散步，無意間發現湖中狀似韭菜的水生植物，學科專業讓他們直覺此物種特殊，採樣回去，經學校老師、臺灣蕨類植物權威美籍教授棣慕華鑑定，證實不同於其他水韭，命名「臺灣水韭」。臺灣水韭是臺灣特有石松類植物，目前野生自然棲地僅分布於陽明山國家公園夢幻湖，族群數量約1萬株，屬於極危（CR）等級瀕危植物。

陽明山國家公園夢幻湖是臺灣水韭唯一天然生育地。（圖片提供／林試所）

世界多數植物白天吸入二氧化碳，透過日光光合作用固碳，將氣體轉化為糖分，但乾旱地區的植物如仙人掌、鳳梨等，為了節約水分，反而是利用景天酸循環機制，在白天關閉氣孔，改為晚上才吸入二氧化碳。臺灣水韭長年生長水中，卻與耐旱植物一樣用景天酸循環機制，成為學界一大謎團，認為可能與其得以歷經上億年存活至今有關。

2018年起，林試所特聘研究員黃曜謀、清華大學助理教授郭立園及康乃爾大學博斯‧湯普森研究中心（Boyce Thompson Institute）博士李飛葦跨國合作，為臺灣水韭基因組定序，發現臺灣水韭基因組有22條染色體、約1658.3百萬鹼基對，是全世界第一個基因定序的水韭，研究成果去年11月3日發表於《NatureCommunications》期刊。

臺灣水韭植株全貌。（圖片提供／林試所）

臺灣水韭原生於濕地環境，以前認為不耐旱，但40年前證實具有景天酸循環，透過人工試驗，證實可在休眠1年後復水甦醒；此次透過基因定序，研究團隊將其與仙人掌、鳳梨等其他景天酸循環的耐旱開花植物基因比對，發現其調控景天酸循環基因與耐旱植物迥異，臺灣水韭固碳的效率也比其他植物高。

黃曜謀指出，開花植物透過分泌某種酵素進行景天酸循環，不行光合作用的細菌也能分泌某種酵素進行景天酸循環，兩者機制不同，但在臺灣水韭上面同時看得到這兩種景天酸循環的機制。他說，近年全球二氧化碳濃度攀升，氣候變遷下乾旱頻仍，隨科技進步，此研究發現未來可能應用於促進作物抵禦環境逆境上。

黃曜謀指出，水生環境下的臺灣水韭水分供給沒有問題，之所以採取景天酸循環，可能是因水中二氧化碳有限，臺灣水韭為了避免白天與其他植物競爭，才改在晚上收集其他植物排出溶解水中的二氧化碳；但水生的臺灣水韭缺乏氣孔構造，是以滲透的方式吸收二氧化碳，與有氣孔的陸生臺灣水韭不同，水韭透過哪個基因調控氣孔有無還未知，這將是研究團隊下一個要解開的謎題。