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在小小的卷柏中,遇見大大的葉綠體

植物用葉綠體行光合作用,小學生都知道,可是你知道葉綠體也會有變化嗎?中興大學許秋容教授發現卷柏這群石松類植物,除了葉肉細胞裡的一般葉綠體外,表皮細胞還有特殊的巨大葉綠體,能增強光合作用,讓它們在陰暗的林下環境中取得一席之地。
 
 
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。
 
許秋容教授(左)和參與研究的劉鑑緯博士生(右)。牆壁上掛的相片是二區葉綠體的電子顯微圖。(圖/劉馨香攝)
▲許秋容教授(左)和參與研究的劉鑑緯博士生(右)。牆壁上掛的相片是二區葉綠體的電子顯微圖。(圖/劉馨香攝)
 
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。
 
紅卷柏的背面為綠色(左),腹面為紅色(右)。(圖/劉馨香攝)
▲紅卷柏的背面為綠色(左),腹面為紅色(右)。(圖/劉馨香攝)
 
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。
▲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。
 
姫卷柏(S. heterostachys)的表皮細胞有巨大葉綠體,其上方有數十層平行且規律的層狀結構,因此另稱為二區葉綠體。(圖/許秋容提供)
▲姫卷柏(S. heterostachys)的表皮細胞有巨大葉綠體,其上方有數十層平行且規律的層狀結構,因此另稱為二區葉綠體。(圖/許秋容提供)
 
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 GymnogynumStachygynandrum 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。
 
實驗室中,研究人員將卷柏葉子包埋成膠塊,後續才能進行超薄切片。(圖/劉馨香攝)
▲實驗室中,研究人員將卷柏葉子包埋成膠塊,後續才能進行超薄切片。(圖/劉馨香攝)
 
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)
▲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
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