臺灣白花蝴蝶蘭(Phalaenopsis aphrodite)別稱臺灣阿嬤(圖一),是臺灣原生種的蝴蝶蘭,於1879年首次被日本人矢野在紅頭嶼採集到,花型優美廣受大眾的喜愛,在國際花卉展覽上也屢獲首獎,甚至紅頭嶼也因為盛產白花蝴蝶蘭而改名為蘭嶼。「臺灣阿嬤」這個暱稱是怎麼來的呢?因為先前學名為Phalaenopsis amabilis,amabilis的前面三個字母a-ma剛好類似台語阿嬤的發音,另外其花朵性狀良好常被做為育種的親本,若論起它與許多商業品種蝴蝶蘭的親緣關係的話,「阿嬤」,這個稱號真的也是當之無愧。

 

圖一、臺灣原生白花蝴蝶蘭,臺灣阿嬤

蝴蝶蘭外銷為臺灣外銷產值最高的花卉作物,然而近年來因為國際競爭者的崛起,讓我們的蘭花產業備受威脅。例如擅長將花卉產業企業化和機械化經營的荷蘭,除了蝴蝶蘭的產量高外,質量也逐年進步。另外在2015年,美國開放中國大陸輸入的蝴蝶蘭可帶介質,提升其存活率,也讓我國在美國市場不如以往佔優勢。再加上臺灣過去對於品種權並不是很重視,許多品種在其他國家已經被搶先註冊,而導致現在若要在海外販賣自己的品種還得付一筆為數不小的品種權利金。如何提升及保護我們的蝴蝶蘭產業已成為眼下重要的課題。著名的經濟學者,朱敬一在討論臺灣蘭花發展策略曾說:「我們不該再只做代工」、「應從種苗研發及專利下手」。新品種研發和專利保護的確為提升競爭力重要的一環。

然而蝴蝶蘭新品種的研發並不是那麼容易,因為蝴蝶蘭爲異交作物,遺傳組成複雜,且由種子到開花需要二到三年的時間,雜交的後代也不是很容易就可以獲得如預期的性狀。例如當育種者選定了大白花與小黃花兩個優秀親本進行雜交,預計得到新品種的純色的大黃花,他需要等待三年後植株順利開花才可以檢視雜交結果。但等待多年的結果,可能是幾萬株不想要的白花植株。當然因為有這樣育種上的困難,也才能夠締造了在民國60年代以三百萬的價格售出的百萬名花—黃帝的傳奇故事,不過因為當時品種保護的意識不高,各路人馬藉由花梗芽大量繁殖生產傾銷後,百萬的身價也只是曇花一現,現今的價格已與其他蝴蝶蘭品種無異。若在栽種的初期就可以預知開花後的植株性狀,不但可以提升育種效率也降低培育成本,若再考量未來上市品種權的保護,導入生物技術,建立分子標誌或許是個兩全其美的方法。而解序臺灣阿嬤基因體是尋找有用的分子標誌途徑之一。

隨著2008年後高通量解序技術迅速的發展,解序的成本和時間大幅度的下降,解序基因體計畫再也不只限於大型研究機構或跨國合作團隊,除此外許多非模式物種也如雨後春筍般被陸陸續續的解序和發表。由於電腦硬體的升級和生物資訊演算法的精進,在一年內被解序並發表文章的物種可能超過數百種;目標似乎是由電腦演算法組裝的序列只要越長則為越好,但卻沒考慮到其基因體圖譜的精確度。有時甚至還可能發生好幾個不同染色體上的序列拼湊在一起的離譜結果。錯誤的序列組裝就如同拿著錯誤的尋寶圖來尋寶般,可能會使不少研究陷入錯誤方向的窘境。

我們實驗室與臺灣大學陳凱儀及成功大學張松彬組成研究團隊,共同完成了臺灣阿嬤基因體解序與序列組裝。除此之外,我們以粗絲期染色體螢光原位雜合技術建立第一個蝴蝶蘭染色體圖譜,並且使用限制酶位點標定之核酸定序技術(RAD seq)取得大量遺傳標記,完成蘭科植物第一個遺傳連鎖圖譜(genetic map)。臺灣阿嬤的基因體約為1.25 Gb(億鹼基),雖然在蝴蝶蘭屬裡面算是比較小的基因體,但這可是模式植物阿拉伯芥基因體的十倍大,也是水稻基因體的三倍大。如此複雜的基因體,使用高通量定序資料做電腦序列組裝往往僅能得到數萬個基因體支架序列(genomic scaffold),而且植物基因體裡常有高度重複的區域也容易造成組裝上的錯誤。單由序列組裝的結果無法判斷基因體支架序列屬於哪一條染色體,更遑論其在染色體上的位置。若想要知道基因體支架序列在染色體上的位置與順序,還需要有遺傳連鎖圖譜的幫忙。

研究團隊將臺灣阿嬤和羞花蝴蝶蘭作雜交,產生約200株的子代,接著利用限制酶位點標定之核酸定序技術來分析這些子代個體之間的鹼基差異,找出大量具有專一性的標誌序列(DNA marker)來建構遺傳連鎖圖譜。遺傳連鎖圖譜上的標誌序列就如同大樓的門牌號碼一樣,將每條染色體上各個位置都掛上其專一的門牌。而另一方面我們只要在基因體支架序列裡找到其相對應的門牌,就可以把基因體支架序列回歸屬於它染色體上的位置(圖二),一旦知道每條基因體支架序列的排列順序與方向,就可以做到染色體層級的序列組裝。我們接著再以染色體螢光原位雜合的技術,透過高階螢光顯微鏡用直觀的方式看到這些帶有螢光的序列在染色體上的排列情形,藉以檢驗這些遺傳標記以及基因體支架序列排列的正確性。整個過程雖然非常費時費工,但可以確保基因體組裝的正確性和完整度,未來此研究成果將可以實際應用在蝴蝶蘭的育種研發和性狀改良。

 

圖二、結合遺傳連鎖圖譜及高通量解序序列來完成臺灣阿嬤的基因體圖譜

 

臺灣曾一度為世界的蘭花王國,長期累績下來的育種實力不可小覷,若能配合新的生物科技必能將此實力發揮到極致,再次奪回蘭花王國的稱號相信也不是那樣的遙不可及。

 

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