第二章、 材料及方法
第一節、 研究地點與研究物種
第二章、材料及方法
第一節、研究地點與研究物種
研究地點位於台北市中正區的台北植物園內的蕨類植物區
(121°50'E, 25°03'N)，2014 年至 2018 年的年平均氣溫為 23.80 °C，年 平均雨量為 2211.78 毫米，平均相對濕度為 72.60%，氣候條件溫暖潮
solida (Forst.) Sw.)、腎蕨科 (Nephrolepidaceae) 的地生型及附生型腎 蕨 (Nephrolepis auriculata (L.) Trimen)、鐵角蕨科 (Aspleniaceae) 的 南洋巢蕨 (Asplenium australasicum(J. Sm.) Hook)、鳳尾蕨科
(Pteridaceae) 的傅氏鳳尾蕨 (Pteris fauriei Hieron.)、碗蕨科
(Dennstaedtiaceae) 的粗毛鱗蓋蕨 (Microlepia strigosa (Thunb.) Presl)、
約 2.1 億年前出現的桫欏科 (Cyatheaceae) 的筆筒樹 (Cyathea lepifera (J. Sm. ex Hook) Copel.)、約 2.3 億年前出現的裏白科
(Gleicheniaceae) 的芒萁 (Dicranopteris linearis (Burm. f.) Underw.)、
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約 3.2 億年前出現的紫萁科 (Osmundaceae) 的粗齒革葉紫萁
(Osmunda banksiifolia (Pr.) Kuhn) 以及約 3.5 億年前出現的合囊蕨科 (Marattiaceae) 的觀音座蓮 (Angiopteris lygodiifolia Rosenst.)，並加入 1 種更為古老的植物類群－卷柏科 (Selaginellaceae) 的藍地柏
(Selaginella uncinata (Desv. ex Poir.) Spring) 一同比較 (Pryer et al., 2004; Smith et al., 2006; Christenhusz & Chase, 2014)。相較於蕨類植物，
被子植物是較近期演化出來的植物類群，其氣孔一般能夠在環境中二 氧化碳濃度改變時產生快速且明顯的反應 (Ainsworth & Rogers, 2007;
Farquhar & Sharkey, 1982; Mott, 1988)，本研究以樣區內非人為栽種生 長的兩種被子植物：卵葉鱗球花 (Lepidagathis inaequalis Clarke ex Elmer) 與姑婆芋 (Alocasia odora (Lodd.) Spach.) 以及前述的十種蕨 類與石松植物來檢測各物種的氣孔是否在環境二氧化碳濃度改變的 情況下有顯著的變化，並比較各物種間的敏感程度是否有所差異。
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表格 1 研究物種。
物種 學名 科別 (family)
卵葉鱗球花 Lepidagathis inaequalis Clarke ex Elmer 爵床科 (Acanthaceae)
姑婆芋 Alocasia odora (Lodd.) Spach. 天南星科 (Araceae)
闊葉骨碎補 Davallia solida (Forst.) Sw. 骨碎補科 (Davalliaceae) 腎蕨 Nephrolepis auriculata (L.) Trimen 腎蕨科 (Nephrolepidaceae) 南洋巢蕨 Asplenium australasicum (J. Sm.) Hook 鐵角蕨科 (Aspleniaceae) 傅氏鳳尾蕨 Pteris fauriei Hieron. 鳳尾蕨科 (Pteridaceae) 粗毛鱗蓋蕨 Microlepia strigosa (Thunb.) Presl 碗蕨科 (Dennstaedtiaceae)
筆筒樹 Cyathea lepifera (J. Sm. ex Hook) Copel. 桫欏科 (Cyatheaceae) 芒萁 Dicranopteris linearis (Burm. f.) Underw. 裏白科 (Gleicheniaceae) 粗齒革葉紫萁 Osmunda banksiifolia (Pr.) Kuhn 紫萁科 (Osmundaceae)
觀音座蓮 Angiopteris lygodiifolia Rosenst. 合囊蕨科 (Marattiaceae) 藍地柏 Selaginella uncinata (Desv. ex Poir.) Spring 卷柏科 (Selaginellaceae)
11 用效率 (photosynthetic rate, A)，各物種光合作用效率最高時的光照強 度視為光飽和點，並以此作為進行氣孔導度測量時的光照強度 (表格 2)。
第三節、氣體交換測量
研究時間為 2018 年 11 月至 2019 年 4 月，天氣晴朗或多雲的日 子中的上午 9 點至下午 3 點，利用攜帶型光合作用測量系統
(LI-6400/XT; LI-COR, Lincoln, USA) 以氣體交換的方式進行測量。測 量項目包含氣孔導度、ci/ca值、光合作用效率以及蒸散效率
(transpiration rate, E)。短時間內環境變化下氣孔孔徑的變化程度可反
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應氣孔的敏感性，而氣孔孔徑的大小直接影響到氣孔導度，因此一般 以氣孔導度來表示氣孔孔徑的變化程度 (Buckley & Mott, 2013)。氣 孔導度是藉由葉溫、濕度、風速等參數所計算出來的數值，其指的是
(Brodribb et al., 2009; Franks & Britton-Harper, 2016)，詳細方法如下：
每物種挑選 6 株個體，每個植株挑選 1 片完全展開、未枯黃、無 受到病蟲害且無孢子囊群的成熟葉片，保留在植物上進行測量。葉室
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https://www.co2.earth/) 為基準，最低值設定為 200 ppm，在此濃度下 所有物種的淨光合作用效率 (net photosynthesis rate) 皆為正值，即皆 能夠正常地進行光合作用。最高值則設定為 1600 ppm，此濃度相較 度設定依序為 410 ppm、200 ppm、1600 ppm、410 ppm。待最終數值 穩定後即可結束該次測量。每個二氧化碳濃度下數值達到穩定後的最 終一個數值用來進行資料分析。由於多數研究物種的葉片未能填滿葉
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室 (面積為 6 平方公分)，測量當下無法得知實際的葉片面積，故測量 完畢後將葉室內夾取的葉片部分剪下並置於夾鏈袋中，於 1 小時內將 葉片掃描，利用圖像編輯軟體 ImageJ (National Institutes of Health, USA) 計算實際測量的葉片面積，並將此數值導入測量系統來重新計 算以得到實際數值。
圖 1 測量時夾取葉片的情形。測量時將葉片保留在植株上不另行採 下。圖為以粗毛鱗蓋蕨 (Microlepia strigosa) 為研究對象的測量情形。
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第四節、統計分析方法
本研究使用成對樣本 t 檢定 (paired sample t-test) 來分析各物種 內的氣孔導度在改變環境二氧化碳濃度前後是否有顯著差異；不同物 種間在改變環境二氧化碳濃度前後的氣孔導度變化率使用單因子變 異數分析 (one-way analysis of variance, one-way ANOVA) 搭配 Tukey 事後檢定法 (Tukey’s post hoc test) 來分析哪些物種間具有顯著差異；
本研究以在各個環境二氧化碳濃度改變後達到氣孔導度變化率之一 半時所需耗費的時間 (half-time) 來評估氣孔的反應速度，此部分利 用 one-way ANOVA 搭配 Tukey 事後檢定法分析在物種間的所需時間 是否有顯著差異；不同環境二氧化碳濃度下物種內的 ci/ca值利用重複 測量單因子變異數分析 (repeated measures one-way ANOVA) 探討在 濃度間是否有顯著差異；利用成對樣本 t 檢定分析各物種內在環境二 氧化碳濃度高的情況下，氣孔變化是否能夠明顯提升其水分利用效率，
並以 one-way ANOVA 搭配 Tukey 事後檢定法來分析在物種間的水分 利用效率變化率是否有顯著差異，水分利用效率成長率和氣孔導度變 化率之間的相關性則利用線性回歸 (linear regression) 來分析。所有 統計分析皆利用 R 軟體 (版本 3.5.1) 來進行。
17 (p<0.001)、姑婆芋 (-83.66%, p<0.001)、粗毛鱗蓋蕨 (-73.43%, p=0.0027)、地生型腎蕨 (-73.15%, p=0.0030)、芒萁 (-69.70%,
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(327.42%)；物種間的氣孔導度變化率具有顯著差異 (F=5.26, p<0.001)，
事後比較的結果顯示闊葉骨碎補分別與姑婆芋 (p<0.001)、粗齒革葉
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用效率成長率具有顯著差異 (F=5.77, p<0.001)，事後比較的結果顯示 筆筒樹的成長率顯著高於藍地柏 (p<0.001)、傅氏鳳尾蕨 (68.27%, p<0.001)、闊葉骨碎補 (73.95%, p<0.001)、觀音座蓮 (163.75%, p=0.0022)、卵葉鱗球花 (197.83%, p=0.067)、南洋巢蕨 (235.47%, p=0.021)、附生型腎蕨 (253.30%, p=0.035) 及地生型腎蕨 (259.83%, p=0.042) 的成長率，姑婆芋的成長率 (577.04%) 顯著高於藍地柏 ( p<0.001)、傅氏鳳尾蕨 (p<0.001)、闊葉骨碎補 (p<0.001)、觀音座 蓮 (p=0.0075) 及卵葉鱗球花 (p=0.021) 的成長率，其餘物種間在環 境二氧化碳濃度為 1600 ppm 下水分利用效率的預期值與實際值之間 的成長率皆無顯著差異 (p>0.05)。水分利用效率的成長率與環境二氧 化碳濃度由 200 ppm 升高至 1600 ppm 時的氣孔導度變化率呈顯著負 相關 (R2=0.65, p<0.001) (圖 24)，氣孔導度下降愈多，水分利用效率 的成長率愈高。
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圖 3 姑婆芋 (Alocasia odora) 的氣孔導度變化情形。藍點代 表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
圖 2 卵葉鱗球花 (Lepidagathis inaequalis) 的氣孔導度變 化情形。藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
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圖 5 附生型腎蕨 (Nephrolepis auriculata) 的氣孔導度變化 情形。藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
圖 4 闊葉骨碎補 (Davallia solida) 的氣孔導度變化情形。
藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
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圖 7 南洋巢蕨 (Asplenium australasicum) 的氣孔導度變化 情形。藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
圖 6 地生型腎蕨 (Nephrolepis auriculata) 的氣孔導度變 化情形。藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
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圖 9 粗毛鱗蓋蕨 (Microlepia strigosa) 的氣孔導度變化情 形。藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
圖 8 傅氏鳳尾蕨 (Pteris fauriei) 的氣孔導度變化情形。藍 點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
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圖 11 芒萁 (Dicranopteris linearis) 的氣孔導度變化情形。藍 點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
圖 10 筆筒樹 (Cyathea lepifera) 的氣孔導度變化情形。藍點 代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
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圖 13 觀音座蓮 (Angiopteris lygodiifolia) 的氣孔導度變化 情形。藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
圖 12 粗齒革葉紫萁 (Osmunda banksiifolia) 的氣孔導度變 化情形。藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
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圖 15 各物種在環境二氧化碳濃度由 410 ppm 改變至 200 ppm 後的平 均氣孔導度變化率 (n=6)。誤差線為標準誤差 (standard error of mean, SEM)。柱上英文字母若完全不同代表物種間有顯著差異 (Tukey’s post hoc test, p<0.05)。
圖 14 藍地柏 (Selaginella uncinata) 的氣孔導度變化情形。
藍點代表環境二氧化碳濃度，黑點代表氣孔導度。
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圖 17 各物種在環境二氧化碳濃度由 1600 ppm 改變至 410 ppm 後的平 均氣孔導度變化率 (n=6)。誤差線為標準誤差 (SEM)。柱上英文字母若 完全不同代表物種間有顯著差異 (Tukey’s post hoc test, p<0.05)。
圖 16 各物種在環境二氧化碳濃度由 200 ppm 改變至 1600 ppm 後的平 均氣孔導度變化率 (n=6)。誤差線為標準誤差 (SEM)。柱下英文字母若 完全不同代表物種間有顯著差異 (Tukey’s post hoc test, p<0.05)。
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圖 19 環境二氧化碳濃度由 200 ppm 至 1600 ppm 時各物種達氣孔導 度變化率的 50%所需消耗的平均時間 (n=6)。誤差線為標準誤差 (SEM)。柱上英文字母若完全不同代表物種間有顯著差異 (Tukey’s post hoc test, p<0.05)。
圖 18 環境二氧化碳濃度由 410 ppm 至 200 ppm 時各物種達氣孔導 度變化率的 50%所需消耗的平均時間 (n=6)。誤差線為標準誤差 (SEM)。所有物種間無顯著差異 (one-way ANOVA, p>0.05)。
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圖 20 環境二氧化碳濃度由 1600 ppm 至 410 ppm 時各物種達氣孔導 度變化率的 50%所需消耗的平均時間 (n=6)。誤差線為標準誤差 (SEM)。柱上英文字母若完全不同代表物種間有顯著差異 (Tukey’s post hoc test, p<0.05)。
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圖 21 各研究物種在不同環境二氧化碳濃度下的平均 ci/ca值 (n=6)。誤差線為標準 誤差 (SEM)。所有物種內的 ci/ca值均無顯著差異 (repeated measures one-way ANOVA, p>0.05)。
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圖 22 各研究物種在環境二氧化碳濃度為 1600 ppm 時的水分利用效率 (WUE) 之平均實際值與預期值 (n=6)。誤差線為標準誤差 (SEM)。實線代表實際測量 到的數值，虛線代表將蒸散速率固定在 200 ppm 時的數值所計算出來的預期 值。所有物種內的實際值與預期值均有顯著差異 (paired sample t-test, p<0.05)。
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圖 23 環境二氧化碳濃度為 1600 ppm 時的水分利用效率 (WUE) 在預期 值和實際值的平均成長率 (n=6)。誤差線為標準誤差 (SEM)。柱上英文字 母若完全不同代表物種間有顯著差異 (Tukey’s post hoc test, p<0.05)。
圖 24 環境二氧化碳濃度為 1600 ppm 時各物種的平均氣孔導度變化 率對水分利用效率 (WUE) 在預期值和實際值的成長率之迴歸分析。
白點為各物種內的平均值 (n=6)，藍線為迴歸線，其方程式顯示於右上 方，灰色為信心水準 95%的信賴區間。
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Ruszala et al., 2011; Franks & Britton-Harper, 2016; Hõrak et al., 2017)。
氣孔導度顯著升高，表示研究植物的葉片具有感應環境中的二氧化碳 濃度下降並且調節氣孔開啟的機制。使氣孔明顯開啟的反應，可能得 以讓植物增加從環境中攝取二氧化碳的量，以提升細胞內二氧化碳的 濃度，避免因光呼吸作用 (photorespiration) 造成過多能量損失 (Jackson & Volk, 1970)。在此濃度變化下，芒萁、粗齒革葉紫萁及觀 音座蓮等較古老的蕨類物種的平均氣孔導度變化率較低，分別僅上升
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37 (Ruszala, 2011; Franks & Britton-Harper, 2016)。氣孔導度顯著下降，
表示研究物種的葉片皆具有感應二氧化碳濃度升高並且調控氣孔閉 合的機制。植物使氣孔明顯閉合的反應，可能可以減少水分散失。然 而部分前人的研究結果 (Doi & Shimazaki, 2008; Brodribb et al., 2009) 則是顯示蕨類植物在面臨環境二氧化碳濃度提高時不會顯著地閉合。
Brodribb 等人 (2009) 的研究中所使用的蕨類及石松植物在二氧化碳 濃度由 380 ppm 升高至 600 ppm 後的平均氣孔導度變化率最高僅為 15.30%，例如澳大利亞桫欏 (Cyathea australis)、劍蕨 (Nephrolepis
Brodribb 等人 (2009) 的研究中所使用的蕨類及石松植物在二氧化碳 濃度由 380 ppm 升高至 600 ppm 後的平均氣孔導度變化率最高僅為 15.30%，例如澳大利亞桫欏 (Cyathea australis)、劍蕨 (Nephrolepis