NTU Plant Evo-Devo 2023_2

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我實驗室的研究專注在對花的傳粉生態、物種親緣演化從到花朵分子發育的機制。在2020年我們分析台灣750種開花植物的花色變化，發現台灣原生植物花色明顯隨海拔梯度的變異，而高山地區的植物花色明顯的受到分歧天擇，彼此之間可能是為了競爭僅有的傳粉者而花色趨向演化出更多變異，尤其特別發現高海拔花朵在海島型高山氣候之傳粉者種類受限情況下，同屬植物花色會傾向分化出更多顏色變異，可能據此吸引主要傳粉者蜂類能識別不同物種，避免物種間交雜傳粉，這也解釋為何高山地區花色更多樣 (Tai et al. 2020) 。我們這篇文章更收錄在Frontiers in Plant Science植物領域排名前10%的期刊專刊中，邀請世界花色研究專家30篇文章發表的The role of flower color in angiosperm evolution 專刊。除此之外，我的實驗室在2019年也發表報導確定台灣有畫眉科鳥類在冬天缺食物與冬天開花的苦苣苔科植物長果藤專一授粉共演化現象(Chen et al. 2019)，長果藤演化出較短的花冠筒且花的開口較開展，以適應雀形目鳥類較短的嘴喙提供花蜜。這是東亞第一篇研究發現長果藤在台灣因缺乏太陽鳥專一傳粉者，而改變成提供大量花蜜吸引冠羽畫眉等本土鳥類為其傳粉。這樣的合作經驗使我們更加確認傳粉生物學研究是我實驗室建立起來的專長, 台灣將可以透過我們的發表與國際水準研究者連結，且由於我們一直密切與分析台灣植物花色的澳洲Adrian Dyer教授團隊合作發表，日本北海道大學的Gaku Kudo教授團隊在太魯閣國家公園合歡山區調查高山植物的傳粉生態，以及正在與東京大學Atsushi Kawakita教授團隊研究東亞衛矛屬蕈蠅傳粉機制的演化，我與學生將為台灣植物傳粉研究帶來更多嶄新的視野與貢獻。
在花朵分子發育方面，近年來也以苦苣苔科大岩桐為模式，由於大岩桐(Florist’s gloxinia) 野生原種為兩側對稱花，但花卉市場上人擇栽培都是對稱性關鍵基因CYCLOIDEA (CYC)的單基因突變輻射對稱花園藝品系，所以可對比研究花對稱性發育模組的改變。近三年多來，我們分析野生種大岩桐背(dorsal)、腹側(ventral)花瓣轉錄體差異表現基因的改變，經qRT-PCR驗證，發現到特別是生長素訊息傳導路徑基因，多在背側花瓣表現，且因生長素含量在背側花瓣多，所以發掘出除了SsCYC外，過去研究沒有注意過的生長素基因發育模組，可能透過調控細胞生長，也參與了花背、腹側花瓣大小形狀差異生長的兩側對稱發育(Pan et al. 2022a)。固爾接續的計畫，也以專注在生長素及其響應因子SsARF3與SsCYC之間是否有互相調控關係為目標。
為了研究基因的功能，我們成功以園藝品系Sinningia speciosa ‘Avanti’ F1 為組織培養及轉殖的材料，發表了優化的大岩桐農桿菌轉殖系統，使大岩桐成為研究花發育基因的新模式植物 (Kuo et al. 2018)。不過在目前工作的野生原種S. speciosa ‘Espirito Santo’ 上，接種各種農桿菌品系都很難感染。所以我們也轉而先做出花瓣原生質體暫時性轉染基因表達系統(利用PEG-CaCl2)，分離出來的花瓣原生質體存活率達90%；並測試能夠成功讓大岩桐SsCYC-GFP進入原生質體(平均轉染效率為41.4%)，且可在SsCYC大量表現下，誘導下游基因表現，所以我們也成功發表使用此系統檢驗基因上下游調控的暫時性轉殖系統(Pan et al. 2022b)。
苦苣苔科亞洲大陸許多植物種群，都有花對稱CYC基因重複複製現象，演化歷史中每次基因複製後，可觀察到基因複份間淨化天擇(purifying selection)力量顯著的比複製前減輕，促使多餘複份可表現到花芽其他部位，促進花朵形態有更多變異(Hsin et al. 2019,)。實驗室上述這些與CYC基因相關研究提供花對稱演化發育上的新見解，了解到CYC在物種中其基因調控多樣使花形多變，或透過複份變異、及突變，改變花對稱性及花形，其機制可提供園藝上分子育種。

1 Tai K-C, Shrestha M, Dyer AG, Yang E-C, Wang C-N* (2020) Floral Color Diversity: How Are Signals Shaped by Elevational Gradient on the Tropical–Subtropical Mountainous Island of Taiwan? Frontiers in Plant Science 11: 582784. (本人為通訊作者). 這是第一篇大規模採樣台灣700多種原生開花植物，分析出海島型氣候植物花色適應演化成黃、白色系為主，原因是為了廣泛吸引海島受限的傳粉者種類共同訪花。且隨著海拔升高，植物為了競爭吸引傳粉者花色變異更大。提供國家公園保育高山植物的建議。
2 Chen K-H, Lu J-Y, Wang C-N* (2019) Effective pollination of Aeschynanthus acuminatus (Gesneriaceae) by generalist passerines, in sunbird-absent East Asia. Scientific Reports 9: 17552 (本人為通訊作者) 這是台灣第一篇報導雀科鳥類在冬天因缺乏食物，成為提供花蜜食物的長果藤有效傳粉者的例子。長果藤的花朵也演化出適合短喙雀科鳥類拜訪的短筒狀。在氣候暖化影響下的台灣，應注意傳粉者與授粉植物交互作用是否因氣候改變而破壞，如花期提前或開花減少。
3 Pan, Z.-J.; Nien, Y.-C.; Shih, Y.-A.; Chen, T.-Y.; Lin, W.-D.; Kuo, W.-H.; Hsu, H.-C.; Tu, S.-L.; Chen, J.-C.; Wang, C.-N. (2022a). Transcriptomic Analysis Suggests Auxin Regulation in Dorsal-Ventral Petal Asymmetry of Wild Progenitor Sin-ningia speciosa. International Journal of Molecular Science, 23:2073. 本人為通訊作者. 本篇文章是首次透過兩側對稱花轉錄體，發現生長素代謝途徑基因參與在花對稱性發育中。大岩桐的背側花瓣生長的與腹側花瓣形狀大小不同，我們偵測到生長素響應因子、細胞延長生長有關的基因，在背側花瓣有高表現量，ARF3基因對花半生長的功能值得探究。
4 Pan, Z.-J.; Hung, Y.-L; Chen, T.-Y; Shih, Y.-A; Y.-C. J. Lin; Wang, C.-N. (2022b). Development of petal protoplast transfection system for Sinningia speciosa (Gesneriaceae). Applications in plant science, e11476. 本人為通訊作者. 本文章是第一個建立苦苣苔科植物大岩桐花瓣原生質體暫時性轉殖系統的建立。使得研究者將來要研究基因的上下游調控時，不必再耗時於永久性轉殖系統。
5 Hsin K-T, Lu J-Y, Möller M, Wang C-N* (2019) Gene duplication and relaxation from selective constraints of GCYC genes correlated with various floral symmetry patterns in Asiatic Gesneriaceae tribe Trichosporeae. PLOS ONE 14: e0210054 (本人為通訊作者) 本研究發現花對稱CYC基因在不同種群間透過複製後，複份間因負向天擇保守力量減輕，進而多餘複份可表現到花芽其他部位，關連到花朵形態產生更多變異。新見解認為CYC花兩側對稱性基因能透過複份變異表現使花形多變，進而促進種化。 less ↑