臺美科學團隊解鎖臺灣水韭的奇特光合作用 - 農業知識入口網

臺灣水韭為臺灣特有的原始石松類植物，僅分布於陽明山國家公園夢幻湖。具有「水陸兩棲」能力的臺灣水韭，既能生存於水中，也能在極度乾燥條件下休眠1年後復水甦醒。為釐清臺灣水韭的耐旱機制，行政院農業委員會林業試驗所、清華大學與美國康乃爾大學等研究單位組成的臺美合作團隊，對臺灣水韭基因組進行定序，並揭示該植物獨特的景天酸循環的光合作用機制，該研究成果發表在國際權威期刊《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，其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，它堪稱「水陸兩棲植物」，既能扮演水中蛟龍角色，也能在極度乾燥條件下休眠1年後復水甦醒過來；雖然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。林試所2018年研究已解析出部分生物奧秘，並與多個國內外學術機構合作，期望從DNA、生化反應到活力表現層面等，探索其耐旱機制，若能釐清水韭的耐旱機制將是一項重要的研究進程，可推知植物如何調整以適應變化中的環境，尤其是大眾所最關心的乾旱重大議題。

林試所指出，自2018年起，臺美跨國合作團隊，包括該所黃曜謀博士，清華大學的郭立園博士，以及美國康乃爾大學 (Cornell University) 博斯·湯普森研究中心 (Boyce Thompson Institute)的李飛葦博士，開始對臺灣水韭進行基因組定序，並揭示該植物獨特的景天酸循環的光合作用機制。研究成果於2021年11 月 3 日發表在國際權威期刊《Nature Communications自然·通訊》。李飛葦博士的團隊為臺灣水韭建立了一個高質量的基因組，並發現臺灣水韭和陸生植物之間的一些特別相異之處。結果顯示，景天酸循環的演化途徑比研究人員之前認為的更為多樣。長遠來看，這些發現有可能用於增進作物抵禦環境壓力的能力，來幫助植物節約用水或更有效地利用二氧化碳。

林試所補充說明，大多數植物的光合作用為白天吸入二氧化碳並利用陽光將氣體轉化為糖分，然後太陽下山時停止從空氣中吸收二氧化碳進行固碳作用；但是乾旱地區的植物為了節約用水，反而白天將氣孔關閉，改到晚上才吸入二氧化碳，這種策略稱為景天酸循環。對於水生植物來說，白天的水分供給顯然不是問題，然而，生長於濕地環境的臺灣水韭卻使用景天酸循環光合作用機制，研究人員普遍認為水韭在晚上收集其它植物排出溶解於水中的二氧化碳並將其儲存，可以有效避免與其它植物在白天競爭水中二氧化碳。

參考：
臺灣水韭團隊包括來自國立清華大學、臺灣林業研究所、德國哥廷根大學、美國康乃爾大學、德州大學奧斯汀分校、亞利桑那大學，以及沙克研究所。研究結果發表在 11 月 3 日的《Nature Communications自然通訊》上。Wickell, D., Kuo, L.-Y., Yang, H.-P., Ashok, A.D., Irisarri, I., Dadras, A., de Vries, S., de Vries, J., Huang, Y.-M., Li, Z., Barker, M.S., Hartwick, N.T., Michael, T.P., Li, F.-W. Underwater CAM photosynthesis elucidated by Isoetes genome. Nat Commun (2021) https://doi.org/10.1038/s41467-021-26644-7

撰稿人：育林組 黃曜謀 特聘研究員
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