不尋常的巨大葉綠體

植物以葉綠體行光合作用，是小學生都知道的常識。葉綠體對植物相當重要，不同植物即使外觀差異極大，細胞內的葉綠體仍十分相似。卷柏（Selaginella）這一群原始的維管束植物（石松植物門），卻擁有尺寸驚人的巨型葉綠體，如此獨特的結構從何而來，有哪些奧秘，是許秋容多年來研究的重點。

許秋容是中興大學生命科學系教授。她當年在中山大學就讀博士班時，研究的的對象是紅樹林植物；不過在與外國學者 Vassilios Sarafis 教授合作探討陰暗環境中的植物時，意外發現卷柏的葉綠體相當特別，從此成為研究生涯關注的一大焦點。

 

 

大部分植物的葉綠體位於葉肉細胞，一個細胞內含數十至 200 多個小小的葉綠體。卷柏與其他植物一樣，葉肉細胞內也有不少尋常的葉綠體；差別在於卷柏的表皮細胞也有葉綠體，而且有些卷柏的表皮細胞內只有一個體積龐大的巨大葉綠體（giant chloroplast），最大甚至可達到細胞容量的 80%！

全世界的卷柏約有 800 種，其中有些種類具有尺寸巨大的葉綠體；另一些種類的巨大葉綠體不僅體積大，還形成特別的兩層結構，下方類似普通葉綠體，上方卻多出數十層平行的層狀結構。許秋容深入鑽研原產美洲的紅卷柏（Selaginella erythropus），在 2007 年發表的論文中將其命名為「二區葉綠體」（bizonoplast）。後來又發現，巨大葉綠體有增強光合作用的效果。

 

 

適應陰暗環境，獨立演化而成

卷柏在眾多植物中非常古老，祖先有將近 4 億年的歷史，算是最早誕生的一群維管束植物。它們是石松植物門旗下的植物，和水韭是演化上的近親；和蕨類一樣都是用孢子傳播和繁殖。不過水韭面臨滅絕危機之際，卷柏卻展現出廣泛的適應力，除了南極以外無所不在，還有萬年松這般具復活能力且成為園藝觀賞植物的成員。面對變化多端的各地環境，卷柏的葉綠體有哪些變化呢？

 

注意，石松就是石松，不是蕨類！過去將石松和真蕨類皆稱為蕨類，然而近年來演化證據指出，真蕨類和種子植物的關係較近，和石松類（包括卷柏、水韭）關係較遠。因此現在蕨類僅包含真蕨類，不包含石松。

 

為了認識卷柏的葉綠體多樣性，許秋容與巴拿馬、澳洲、夏威夷等地的專家跨國合作，採集到 76 種卷柏，根據細胞內葉綠體的數目、大小、形狀，將葉綠體區分為 5 大類。結果這 76 種卷柏中，竟然高達 49 種具有巨大葉綠體，且其中 11 種擁有二區葉綠體。這些具有巨大和二區葉綠體的種類均是生長在林下陰暗的環境中，可見巨大葉綠體是適應陰暗卷柏的普遍特徵，二區葉綠體亦不算罕見。

 

 

搭配卷柏的親緣關係一同考量，可以推敲巨大葉綠體的演化來歷。卷柏的 7 個亞屬中，巨大葉綠體只在 2 個亞屬 Gymnogynum 與 Stachygynandrum 當中出現，其他亞屬卻都沒有；由此推論：歷史上巨大葉綠體不只誕生過一次，不同卷柏至少獨立衍生過兩次。

葉綠體與光合作用息息相關，巨大葉綠體獨立衍生兩次並非巧合。和標準葉綠體相比，巨大葉綠體利用光的能力更好。擁有巨大葉綠體的物種一般都生長在缺乏陽光的陰暗環境下，例如亞馬遜雨林的底層；因此巨大葉綠體的二度誕生，很可能是缺光導致的趨同演化（convergent evolution），意思是：兩種生物缺乏直接的親戚關係，卻由於面臨類似的環境壓力，而衍生出功能類似的特徵。

在世界各地不起眼的幽暗之處尋找目標

卷柏科植物近 800 種，成員最多的 Stachygynandrum 亞屬就獨佔 600 種之多，擁有二區葉綠體的 11 種都屬於這群，而且在美洲與歐亞大陸都有分布。目前已知有多種卷柏，能適應森林底層幾乎沒有陽光穿透的環境，仍在世界各地的陰暗角落站穩一席之地，可以更充分利用光能的巨大與二區葉綠體或許功不可沒。

然而，要發現擁有二區葉綠體的卷柏並不簡單。臺灣 19 種卷柏中有 6 種具二區葉綠體，當中 5 種其實是在最後的研究階段才得知。大部分卷柏體型不大，大概是能裝進3吋盆栽的尺寸，而配備二區葉綠體的物種又往往躲在不易發現、陰暗潮濕之處，使得採集相對困難。這樣的結果隱含著未來若能獲得更多種的卷柏樣本，應當能找到更多擁有巨大或二區葉綠體的卷柏物種。

 

 

另一方面，植物細胞死亡脫水後，葉綠體便無法維持本來的形狀，所以研究葉綠體的微細結構時，不能以乾燥後的標本為材料，一定要用活體。葉子經過固定、脫水、包埋、切片、染色等步驟，才能在顯微鏡下觀察。

陽光你們去爭，陰暗角落歸我

圍繞著卷柏與葉綠體，許秋容還發展出許多有趣的研究主題。住在陰暗環境的植物其實很多，但是除了卷柏以外，竟然沒有其他植物演化出二區葉綠體。可以說，二區葉綠體是 Stachygynandrum 亞屬獨一無二的特色，它究竟是怎麼誕生的？

藉由比較物種間的 DNA 差異，可以建構卷柏們的親戚關係，估計巨大葉綠體在何時誕生。目前相關分析還在進行，不過初步看來，巨大葉綠體出現的年代似乎處於白堊紀（距今 1 億 4550 萬年前至 6550 萬年前）後的溫暖期。當時氣候適宜植物生長，森林遍布，連南極都綠意盎然，在許多植物欣欣向榮地爭搶陽光之際，卷柏或許已在陰暗的角落裡，演化出自己獨特的生存之道。

  

 

生物如何適應環境，一直是演化學的重要議題。卷柏的巨大葉綠體相當特別，竟是位於上表皮細胞（這是一般植物沒有葉綠體的部位），而卷柏的葉肉細胞內，其實也有典型的葉綠體。換句話說，卷柏並非直接全面替換既有的光合作用系統，而是在舊有的基礎上，再發展出新的有利變化，可謂「演化創新」（evolutionary novelty）在植物的案例。

基因 × 調控 × 環境

葉綠體既然與適應有關，當然會受到環境條件影響。仍有不少種的卷柏沒有巨大葉綠體，反映出適應與環境交互作用的多樣性。而且即使將其置於缺光的環境，也不會長出巨大葉綠體，意謂這是遺傳決定的先天性質。

然而，正常擁有二區葉綠體的物種，假如以強光刺激，卻會使二區葉綠體無法正常發育，變成多顆典型的葉綠體。可見二區葉綠體與適應陰暗的環境有關，係由特定的基因調控生長，會受到外在環境的後天影響。

至於具體上有哪些基因涉及其中，目前也有比較卷柏不同部位、發育時程的轉錄組（transcriptome）相關研究正在進行中。

 

卷柏之所以能適應林下幽暗處而生長繁茂，除了巨大葉綠體本身性能優越有利光合作用外，植物矽晶體（silica body 或稱 phytolith）或許也有影響。部分陸生植物在不同部位，存在形狀不一的矽晶體，與生理反應和防禦有關，也能作為分辨物種的特徵。卷柏的葉片表面也有矽晶體，不同種卷柏所擁有形狀、大小有所差異的矽晶體，可能具有透鏡的功能，發揮散光或聚光的效果，影響光合作用。此一有趣的議題，也是許秋容實驗室正在探索的方向。

 

二區葉綠體依據型態可再分為杯狀（左）或二裂片狀（右），兩者的上區都是由平行的多層膜（類囊體）組成，下區的結構則是和一般的葉綠體一樣。由於細胞內的折射率為1.425高於細胞外的空氣，當光線進入細胞可能形成多重反射現象，巨大的葉綠體體積增加了吸收光線的機會。（圖／改自參考資料3）

 

眾多植物奮力向上生長，競爭更多陽光的同時，古老、矮小的卷柏卻在缺乏光源的地面找到自己的生存之道，成為當今世上最成功的植物之一。許多人追求新奇酷炫的題材，而不起眼的卷柏難以引起太多興趣，研究的人有限。但是許秋容多年來的研究卻告訴我們，即使在看似不起眼的微小植物裡，也有機會揭開驚奇的大發現。

 

參考資料
1. Sheue, C. R., Sarafis, V., Kiew, R., Liu, H. Y., Salino, A., Kuo‐Huang, L. L., ... & Ku, M. S. (2007). Bizonoplast, a unique chloroplast in the epidermal cells of microphylls in the shade plant Selaginella erythropus (Selaginellaceae). American Journal of Botany, 94(12), 1922-1929.
2. Sheue, C. R., Liu, J. W., Ho, J. F., Yao, A. W., Wu, Y. H., Das, S., ... & Chesson, P. (2015). A variation on chloroplast development: The bizonoplast and photosynthetic efficiency in the deep‐shade plant Selaginella erythropus. American Journal of Botany, 102(4), 500-511.
3. Liu, J. W., Li, S. F., Wu, C. T., Valdespino, I. A., Ho, J. F., Wu, Y. H., ... & Das, S. (2020). Gigantic chloroplasts, including bizonoplasts, are common in shade‐adapted species of the ancient vascular plant family Selaginellaceae. American journal of botany, 107(4), 562-576.

 

審閱：許秋容教授