揭開基因內的時空祕密，跟著芭蕉和綠豆的DNA一起穿越吧！ @ 食力foodNEXT‧食事求實的知識頻道

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台大演化生物學研究所助理教授李承叡採取新穎的「遺傳錯位（genetic offset）」法，預測未來氣候環境的變化下，芭蕉族群的滅絕風險，除了芭蕉外，也研究阿拉伯芥、苦瓜、綠豆等植物，並追溯其播種歷史。

撰文=寒波

同一種植物長在不同地方，不一樣的氣溫、雨量、濕度、病蟲害等等條件，會導致適應不同環境的同一種植物，彼此間有著微妙的差異。有關植物變異的學問，人類自古以來就感到好奇，當今探索此一領域的全新策略，正是李承叡擅長的演化基因體學。

李承叡以演化基因體學研究植物DNA的奧秘。（圖片來源：科技大觀園提供）

台大演化基因體學專家—助理教授李承叡

李承叡現在是台灣大學生態學與演化生物學研究所助理教授，他在美國杜克大學攻讀博士期間，透過演化與族群遺傳學，探討生態環境對野生植物的影響。過去10年來，隨著定序技術與分析方法的進展，基因體學有著爆發性的突破，他與這門不斷推陳出新的學問一同成長，成為訓練有素的演化基因體學家。

李承叡回到台灣後，不論野生的台灣芭蕉、阿拉伯芥，或是苦瓜、綠豆之類的馴化植物都有涉獵。他探討問題的手法與價值，可以由台灣芭蕉的研究略窺一二。

李承叡的植物房一角。（圖片來源：科技大觀園提供）

台灣芭蕉的滅絕風險有多大？

台灣人都十分熟悉香蕉。除了人類馴化的養殖香蕉以外，還有許多野生的香蕉親戚，多半分佈於東南亞、大洋洲一帶。台灣芭蕉在中國東南部和台灣都有生長，是台灣本土唯一的野生香蕉物種。

近來栽培香蕉深受黃葉病的危害，此一真菌傳染病嚴重威脅全世界的香蕉，至今無藥可醫。台灣芭蕉卻天生就能抵抗黃葉病，或許能成為香蕉產業的救星。

台灣芭蕉生長在中低海拔的山區，台灣各地都有，如何找到它們？現代問題需要現代手段，李承叡的現代手段是「Google街景」，他在地圖上約300個地點見到芭蕉的蹤影，接著加上緯度、海拔等資訊，製作芭蕉的分佈網路。由此可以評估各地台灣芭蕉遷徙的難易程度，以及滅絕的風險。

「Google街景」製作芭蕉的分佈網路。（圖片來源：科技大觀園提供）

舉例來說，某個地區台灣芭蕉相當密集，也容易遷徙到周圍，那麼不但芭蕉在當地不易消失，附近一帶芭蕉滅絕的機率也會比較低。相對地，若是一地芭蕉原本的分佈就很稀疏，附近又缺少同類，此處芭蕉滅絕的風險就比較大。

大致結果是：芭蕉在台灣東北部最安全，西南部最危險。這些資訊可以協助野生植物的保育。

在DNA差異中尋找遺傳適應

鍵盤辦案以外，李承叡也從20多處地點，每處各取得10株台灣芭蕉的樣本，用「Illumina」次世代定序法取得基因組。所有樣本都是同一物種，因此遺傳上絕大部分都一樣，只有有限的差異。比較樣本們的遺傳異同，可以建構各地芭蕉的親緣關係。

各地芭蕉遺傳上的差異，有可能是隨機造成，但也可能與適應不同的環境有關。李承叡分析遺傳差異與氣候因子的關聯性，試圖找出芭蕉適應不同環境的遺傳基礎。一般人進行這類研究，重點通常擺在尋找特定基因，不過李承叡更重視整個基因組層次的複雜影響。

以演化基因體學的角度探究未來糧食安全。（影片來源：YSF Taiwan官方Youtube頻道）

台灣芭蕉的祖先可以追溯到中國東南部。假如某株台灣芭蕉具有的遺傳變異，在中國同類也能見到，便認定這是在芭蕉移民來台之前，已經存在的舊變異；若是中國同類沒有，意謂這是在台灣才誕生的新變異。

一連串分析指出，芭蕉在適應新的環境條件時，新變異的影響力較強，不過若是環境繼續變化，舊變異反而比較重要。可能的解釋是，來到台灣這個新的家園後，新產生的變異有利於快速適應新環境；然而，當環境再發生變化，這些僅適應之前某種獨特氣候的新變異反而無法在往復變動的氣候中生存。

遺傳變異與適應的關係相當複雜，時常有人爭論新舊變異何者比較重要。透過探索台灣芭蕉，對這個重要議題的認識又增添一分。

遺傳錯位——現在的遺傳，能適應未來的氣候嗎？

追溯台灣芭蕉的過去與現在之餘，最好還能預測未來。李承叡採取一種十分新穎的分析方法「遺傳錯位（genetic offset）」，預測未來氣候環境的變化下，芭蕉族群的滅絕風險。

簡單說，基因組上每一個位置的核苷酸都有 ATCG 四種可能性；在每一個地點都取樣10個芭蕉個體，基因組上同一個位置，不同個體的核苷酸可能一樣或不一樣。

例如某一位置假如每個個體都是A，該位置A的比例就是100%；但是如果 2 個個體是A、8 個是C，那麼就是A占 20%，C占80%。這邊的術語叫作對偶基因頻率（allele frequency），藉由分析對偶基因頻率和氣候因子的關聯性，便可以推論哪些基因可能與適應某一氣候條件有關。

於地點一、地點二分別取樣10個芭蕉個體，並觀測特定基因組中的某個位置，發現地點一的所有芭蕉個體都是A，而地點二有兩個芭蕉個體是A，八個是C。（圖片來源：科技大觀園提供）

舉個簡化的例子：在氣溫超過 22 度的地點，基因組上某位置的核苷酸為A的比例很高，但是低於22度的地點非常低。由此判斷，此位置可能與適應氣溫有關係。再結合對未來氣候的預測，如果現在氣溫為23度的一處地點，A的比例很高，未來當地卻會降低到19度，那麼可以預測攜帶此一遺傳變異的芭蕉，無法適應當地未來的氣溫條件——也就是遺傳上產生了「錯位」。