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保育臺灣特有種橙腹樹蛙,兼具生態和遺傳策略

113/05/31 瀏覽次數 4744

你知道「橙腹樹蛙」嗎?牠們超可愛,背部是綠色的,而腹部卻是鮮橘紅色,非常亮眼!這種樹蛙住在臺灣中低海拔的山區森林裡,橙蝌蚪會吃藻類和落葉,長大後會捕食小型無脊椎動物。因為牠們很稀有,所以被列為保育類動物。

之所以稀有,原因就跟你猜的一樣。隨著人類文明演進,自然生態受到壓迫,許多生物面臨滅絕危機,橙腹樹蛙也不是例外。不過科學發展也推動保育的進展,DNA 定序分析不只能用來確認親子關係,在保育學也有一席之地。

橙腹樹蛙

橙腹樹蛙。圖片來源:楊懿如副教授提供

橙腹樹蛙的英文名字叫作 orange-bellied tree frog,學名為 Zhangixalus aurantiventris,最近便有農業部生物多樣性研究所主導的遺傳學研究計畫。

楊懿如副教授任職於國立東華大學的自然資源與環境學系,也是「臺灣兩棲類動物保育協會」的創始人,長期推動兩棲類的保育。她解釋,橙腹樹蛙是只存在臺灣的特有種,主要分佈於海拔一千公尺以下的闊葉林,棲息於喬木,利用樹洞或是倒木樹洞的積水繁殖,族群密度低,個體數量稀少,算是臺灣森林環境的指標性動物之一。

要成功保育一種生物,最好能連帶維護其周遭整個生活環境。因此保護橙腹樹蛙生活的闊葉林環境,是最重要的保育策略。橙腹樹蛙以外,臺灣還有幾種綠色樹蛙物種也面臨類似的生存危機。保育多樣化的森林棲地,對綠色樹蛙們的生存都有幫助。

生態以外,隨著 DNA 定序技術和遺傳學分析突飛猛進,假如能妥善利用這些工具,可以更深入認識保育對象,也有助於謀劃保育策略。

楊懿如副教授解釋,如今可以用非傷害性的方式從野生動物採樣,取得 DNA 資訊鑑定物種、估計遺傳多樣性、釐清個體與族群間親緣關係。另外,由環境樣本定序得知的 DNA 資訊,能夠檢測是否存在稀有物種,有助於生物監測。倘若遺傳訊息和功能相關,也可以用於推敲演化過程,瞭解生物如何適應環境。

橙腹樹蛙擁有綠色瞬膜

橙腹樹蛙擁有綠色瞬膜。圖片來源:楊懿如副教授提供

 

染色體、粒線體、葉綠體都有遺傳訊息,卻又不一樣?

讓我們先來了解 DNA 定序如何幫助保育。其實生物代代相傳的遺傳訊息分成好幾類,以動物來說,絕大部分遺傳訊息位於細胞核中,由 DNA 以 ATCG [1] 排列紀錄,包含「體染色體」與「性染色體」。例如人類,便有第一號到第二十二號,各自一對,兩性共通的體染色體;以及影響性別的 X、Y 性染色體。另一方面,細胞核之外的「粒線體」,也有一套自己獨立的遺傳訊息。至於植物,除了細胞核與粒線體以外,「葉綠體」又有一套獨立遺傳訊息。

出於傳承方式有別,我們能獲知不同資訊。Y 染色體只由爸爸遺傳給兒子,可用於追溯父系遺傳。粒線體由媽媽傳給女兒與兒子,能追溯母系遺傳。葉綠體則通常為母系遺傳,由於植物的粒線體序列變化比較複雜,因此植物的親緣分析更常使用葉綠體。

相比之下,體染色體的 DNA 訊息數量大很多。例如人類,只有不到 2% 的「編碼」基因序列會最終轉譯為蛋白質。但是其餘的「非編碼」DNA 序列,並非以往認知的垃圾基因,其實具有千變萬化的功能。而親緣分析方面,根據各種類型的序列,也已經開發出許多方式。

定序整個基因組仍不發達的時候,多數研究只能定序一部分 DNA 序列。有時候不用知道太多序列,已能透漏出不少有意義的訊息。例如常見的「DNA 條形碼 (DNA Barcode)」,只需獲悉粒線體或葉綠體上的單一基因資訊,便能夠辨識物種或特定族群。

另一類「重複序列」常用於親緣分析。染色體上有些位置,同樣的 DNA 片段會重複多次,例如 ATTTAC 重複五十次。假如不同個體、族群的重複數目不一樣,便可以用於尋覓遺傳線索。常見的「微衛星序列」(microsatellite)便屬於這一類。[2]

 

保育也進入基因體學時代

隨著定序愈來愈便宜與快速,以及資訊處理速度的提升,如今大量生物已經有整個基因組的定序資料。同一物種的生物,彼此的遺傳訊息大同小異,比較與分析時通常只專注於少數差異即可。

這些差異就像同樣的書,不同印刷本的同一個字有別,例如這本書是 A,那本書是 T。這類遺傳變異稱為「單核苷酸多態性」(single nucleotide polymorphism, SNP),是許多基因體學分析的基礎。

由農業部生物多樣性研究所的張伊鈞團隊進行的「諸羅樹蛙」(Zhangixalus arvalis)保育遺傳研究,便以 SNP 為基礎,進行主成份分析(principal components analysis, PCA)、ADMIXTURE 等基因體學層次的分析。同一團隊接下來又以橙腹樹蛙為調查對象。

綜合各種分析手法,可以更細緻探討不同地區之族群分化、遺傳交流、孤立,並且評估遺傳多樣性、估計族群數量,以及族群正在擴張或縮小等問題。追溯生物過往的歷史、認識現在的狀況,甚至是預估未來趨勢,對生物保育都有不可忽視的意義。

DNA 資訊可以協助復育,但是不能讓滅絕生物復活!

包括橙腹樹蛙在內,想要保育特定生物,除了保護生態棲息地,等待野生生物恢復生機,也可以由人為復育輔助。楊懿如副教授指出,目前技術只有 DNA 資訊無法實際復育。不過人工繁殖進行復育時,掌握生物的遺傳訊息,可以釐清個體間的親緣關係,避免近親交配,降低遺傳多樣性,對提升復育成功率還是很有幫助。

想必有很多人好奇,只要有 DNA,就可以像《侏羅紀公園》那般讓滅絕生物復活嗎?事實上,由於滅絕太久,我們毫無機會得知恐龍的 DNA 資訊。不過隨著古代 DNA(ancient DNA)研究的發展,科學家已經擁有一批滅絕生物的基因組資料。

包括尼安德塔人(Neanderthal)、真猛獁象(Mammuthus primigenius)、袋狼(Thylacinus cynocephalus)、旅鴿(Ectopistes migratorius)、聖誕島大鼠(Rattus macleari)以及多種絕種動物,我們都知道基因組,可以進行遺傳學分析。可惜目前為止,出於種種限制,依然無法單憑 DNA 訊息讓已經消失的生物重現於世。

可別忘了,即使 DNA 遺傳學帶來很多幫助,當下要保育橙腹樹蛙之類面臨威脅的生物,最重要的仍是守護我們共同賴以生存的環境。別等它亮綠鮮橘的嬌小身影徹底消失了,再想著補救。

楊懿如副教授與兩棲類保育研究室成員

楊懿如副教授與兩棲類保育研究室成員。圖片來源:楊懿如副教授提供

 

[1] 四種核酸:A(adenine,腺嘌呤)、T(thymine,胸腺嘧啶)、C(cytosine,胞嘧啶)、G(guanine,鳥糞嘌呤)。

[2] 微衛星序列,又稱簡單重複序列(SSR)或短串聯重複序列(STR),是指基因組中由 2 到 6 個鹼基對組成的短小、重複性的 DNA 序列。雖然名稱可能讓人聯想到太空中的衛星,但實際上這是一個遺傳學中的專有名詞,來源於它們相對於其他重複序列的短小特性。

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