蕨類氣孔對環境二氧化碳濃度變化之敏感性

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(1)國立臺灣師範大學生命科學系碩士論文. 蕨類氣孔對環境二氧化碳濃度變化之敏感性 The Sensitivity of Fern Stomata to Changes of Ambient Carbon Dioxide Concentration. 研究生：林育輝 Yu-Hui Lin. 指導教授：林登秋博士 Teng-Chiu Lin, Ph.D.. 中華民國 108 年 8 月.

(2) 致謝兩年的研究生生涯中，一路上非常幸運地受到許多人的幫助，讓我能夠順利地完成碩士論文研究。首先要感謝林業試驗所台北植物園提供場地進行研究，也特別感謝陳明男博士、范素瑋園長以及黃曜謀博士在研究初期給予許多協助，也提供許多非常珍貴的意見。感謝台師大生科系的李壽先老師在擬定研究計畫的時期幫助我釐清許多邏輯問題，刺激思考，找出盲點並改善，也感謝同學們之間的相互砥礪。 I’m really grateful that professor Craig Martin, the professor of Department of Ecology and Evolutionary in The University of Kansas, provided inspiration for this study and helped me to answer a lot of questions.我也感謝台灣大學實驗林管理處提供研究儀器的借用，使研究更有效率且順利地進行。最後，要特別感謝我的指導教授林登秋老師一路上給予的建議，以及不遺餘力地幫助學生的熱忱，讓我相當感動，也感謝在研究室相遇的所有人：中浩學長、亮竹學長、錦學老師、奕勝學長、鑫余學長、閎義學長、冠中學長、彥宇學長、浩廷學長、 Jonathan、庭瑄、譯禎、顗慈和筱蓁一路上的支持與陪伴。再次感謝所有人，讓我的碩士生涯雖然辛苦，卻因為有你們而走的快樂又充實，謝謝你們。.

(3) 目錄摘要 ......................................................................................................... I Abstract ................................................................................................ III 第一章、前言 ......................................................................................... 1 第一節、氣孔的功能及對環境變化之反應 ................................... 1 第二節、蕨類植物的氣孔對環境二氧化碳濃度變化之反應........ 3 第三節、研究動機 .......................................................................... 6 第四節、研究問題 .......................................................................... 7 第二章、材料及方法.............................................................................. 8 第一節、研究地點與研究物種 ...................................................... 8 第二節、光飽和點測量 ................................................................ 11 第三節、氣體交換測量 ................................................................ 11 第四節、統計分析方法 ................................................................ 16 第三章、結果 ....................................................................................... 17 第一節、不同環境二氧化碳濃度下的氣孔導度變化率 ............. 17 第二節、達氣孔導度改變率之一半時的所需時間 ..................... 19 第三節、不同環境二氧化碳濃度下的 ci/ca 值............................. 20 第四節、高環境二氧化碳濃度下的水分利用效率 ..................... 20 第四章、討論 ....................................................................................... 35 第五章、結論 ....................................................................................... 43 第六章、參考文獻 ............................................................................... 44.

(4) 圖目錄圖 1 測量時夾取葉片的情形 ................................................................ 14 圖 2 卵葉鱗球花 (Lepidagathis inaequalis) 的氣孔導度變化情形 .... 22 圖 3 姑婆芋 (Alocasia odora) 的氣孔導度變化情形 .......................... 22 圖 4 闊葉骨碎補 (Davallia solida) 的氣孔導度變化情形 .................. 23 圖 5 附生型腎蕨 (Nephrolepis auriculata) 的氣孔導度變化情形 ...... 23 圖 6 地生型腎蕨 (Nephrolepis auriculata) 的氣孔導度變化情形 ...... 24 圖 7 南洋巢蕨 (Asplenium australasicum) 的氣孔導度變化情形 ...... 24 圖 8 傅氏鳳尾蕨 (Pteris fauriei) 的氣孔導度變化情形 ..................... 25 圖 9 粗毛鱗蓋蕨 (Microlepia strigosa) 的氣孔導度變化情形 ........... 25 圖 10 筆筒樹 (Cyathea lepifera) 的氣孔導度變化情形 ...................... 26 圖 11 芒萁 (Dicranopteris linearis) 的氣孔導度變化情形 ................. 26 圖 12 粗齒革葉紫萁 (Osmunda banksiifolia) 的氣孔導度變化情形 .. 27 圖 13 觀音座蓮 (Angiopteris lygodiifolia) 的氣孔導度變化情形 ....... 27 圖 14 藍地柏 (Selaginella uncinata) 的氣孔導度變化情形................ 28 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 ............................................................................... 28.

(5) 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 ............................................................................... 29 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 ............................................................................... 29 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 .................................................... 30 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 .................................................... 30 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 .................................................... 31 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 ........... 32 圖 22 各研究物種在環境二氧化碳濃度為 1600 ppm 時的水分利用效率之平均實際值與預期值 ........................................................................ 33 圖 23 環境二氧化碳濃度為 1600 ppm 時的水分利用效率在預期值和實際值的平均成長率 ............................................................................... 34 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在預期值和實際值的成長率之迴歸分析 ............. 34.

(6) 表格目錄表格 1 研究物種 ................................................................................... 10 表格 2 研究中各物種所選用的光照強度及前測中該光照強度下的光合作用效率、氣孔導度、ci/ca 值與水分利用效率.............................. 15.

(7) 摘要植物的氣孔 (stomata) 在光合作用及蒸散作用中扮演重要的角色，不僅影響植物生長與適應環境，更與大氣中的碳循環和水循環息息相關。一般認為當環境條件改變時，氣孔會有所反應而改變其孔徑大小。然而，過去對於氣孔的研究較少著重於蕨類植物等較古老的植物類群，因此其氣孔對於環境變化之敏感性仍未有所定論。近年來的研究對蕨類氣孔在環境二氧化碳濃度改變之下的反應情形充滿爭議。為了解蕨類植物的氣孔對於環境二氧化碳濃度變化之敏感性以及其對植物的影響，本研究測量 9 種蕨類植物、1 種石松植物以及 2 種被子植物的葉片在合適的溫度、濕度及光線下改變環境二氧化碳濃度後的氣孔導度 (stomatal conductance) 變化率、達到氣孔導度變化率之一半時的所需時間、細胞間隙與不同環境二氧化碳濃度的比值 (ci/ca ratio) 以及在高環境二氧化碳濃度下的水分利用效率。結果顯示當環境二氧化碳濃度降低後，各研究物種的氣孔導度皆會明顯地提高，氣孔開啟的速度接近；當環境二氧化碳濃度升高時，氣孔導度都會明顯地降低，水分利用效率也因而顯著提升，大多數物種間的氣孔閉合速度並無明顯差異。不同環境二氧化碳濃度下的 ci/ca 值無明顯差異。氣孔感應環境二氧化碳濃度變化而改變其孔徑大小的敏感性機制存在於蕨類植物、石松植物及被子植物中，但反應程度可能受到其他因素 I.

(8) 而有所不同。本研究結果有助釐清蕨類氣孔受到環境二氧化碳濃度變化的敏感性，幫助了解氣孔功能的演化以及其對植物適應環境的影響。. 關鍵字：氣孔導度 (stomatal conductance)、氣孔反應 (stomatal response)、ci/ca 值 (ci/ca ratio)、水分利用效率 (water-use efficiency)、. 氣孔演化 (stomatal evolution)、維管束植物 (vascular plant). II.

(9) Abstract The stomata of plants play an essential role in photosynthesis and evapotranspiration, affecting not only the growth and adaptation of plants, but also the carbon cycle and water cycle. It is generally believed that when environmental conditions change, the stomata will response and alter their pore sizes. However, relatively few studies of stomata have focused less on more ancient groups of plants such as ferns, so the sensitivity of their stomata to environmental changes remains unclear. Recently, the response of fern stomata to changes of ambient CO2 concentration, is controversial. In order to investigate the sensitivity of fern stomata to changes of ambient CO2 concentration and its effects on the plants, the change rate of stomatal conductance of 9 species of ferns, 1 lycophytes, and 2 angiosperms after changing the ambient CO2 concentration were measured under appropriate temperature, humidity and light. The half-time of each step was also recorded. In addition, the ratio of intercellular to ambient CO2 concentration, ci/ca ratio, over each step and water-use efficiency under high ambient CO2 concentration were calculated. The results showed that when the concentration of ambient CO2 reduced, the stomatal conductance of all species significantly elevated, and the half-time of stomatal openness was similar among species; when the concentration of ambient CO2 increased, the stomatal conductance of all species significantly dropped, which enhanced the water-use efficiency. The response half-time of the stomatal closure was not different among most species. The ci/ca ratio among each ambient CO2 was not significantly different. The mechanism that stomata can sense the change of ambient CO2 concentration and adjust their pore size III.

(10) exists in ferns, lycophytes, and angiosperms, the but the degree of response may be different due to other factors. The results of this research may help to clarify the sensitivity of fern stomata to the change of ambient CO2 concentration, which can help to understand the evolution of stomatal function and its impact on plant adaptation to the environment.. Keywords: stomatal conductance, stomatal response, ci/ca ratio, water-use efficiency, stomatal evolution, vascular plant. IV.

(11) 第一章、前言第一節、氣孔的功能及對環境變化之反應葉片上的氣孔 (stomata) 由保衛細胞 (guard cell) 形成，植物能夠經由氣孔從空氣裡獲取二氧化碳並進行光合作用 (photosynthesis)，同時氣孔也是蒸散作用 (transpiration) 中水分從植物體內擴散至空氣中的重要通道，和植物生長有密切關係 (Cowan, 1978)。當大氣環境發生變化時，植物最直接的反應常發生在氣孔的改變，一般認為其對於環境變化的敏感性能夠在光合及蒸散作用之間取得最佳平衡 (Schulze et al., 1987; Buckley, 2005; Lin et al., 2015)。距今約四億年前，氣孔的出現讓部分植物類群得以離開水域，在陸地上生存並擴大族群 (Chaloner, 1970)。了解氣孔開閉的機制至今仍是許多科學家所關注的議題。影響氣孔變化的環境因素包含空氣及土壤濕度、葉片表面溫度、照射到葉片的光照強度與波長以及大氣中的二氧化碳濃度等等 (Berry & Björkman, 1980)。例如羊草 (Leymus chinensis) 的研究中發現，當濕度低時氣孔密度會明顯減少，且氣孔大小會顯著地縮減 (Xu & Zhou, 2008)；芝麻 (Sesamum indicum) 的研究中則發現，隨著葉溫上升，氣孔周圍的蒸氣壓 (vapor pressure) 升高，因此氣孔會逐漸閉合 (Hall & Kaufmann, 1975)；Sharkey 和 Raschke (1981) 的研究指出 1.

(12) 蒼耳. (Xanthium strumarium)、陸地棉 (Gossypium hirsutum)、菜豆. (Phaseolus vulgaris) 及紫蘇 (Perilla frutescens) 等物種的氣孔會隨著光照強度愈強，開啟程度愈大；Ogawa (1981) 及 Shimazaki 等人 (2007) 的研究也分別指出氣孔會受到紅光刺激而開啟，且藍光會顯著地促進開啟。這可能和保衛細胞膜上的向光素 (phototropin) 及負離子通道 (anion channel) 所接收到的訊號有關 (Willmer & Fricker, 1996)。空氣中的二氧化碳濃度變化可能造成氣孔孔徑的變化，此現象在 19 世紀末就有研究報導 (Darwin, 1898)，然至今仍有許多研究從不同尺度探討此議題 (Sage, 1994; Morison, 1998; Lammertsma et al., 2011)。環境中的二氧化碳濃度 (ambient carbon dioxide concentration, ca) 變化會刺激保衛細胞的膨壓運動 (turgor movement)，影響氣孔的開啟程度 (Mott, 1988)。當二氧化碳濃度升高，保衛細胞內會發生去極化 (depolarization)，鉀離子、鈣離子、氯離子及玉米黃素 (zeaxanthin) 的濃度下降，但氫離子的濃度不變，造成細胞內的酸鹼值降低，此酸鹼值梯度 (pH gradient) 再加上蛋白質磷酸化 (protein phosphorylation) 以及 ATP 的量上升共同導致了保衛細胞內的滲透壓 (osmotic) 改變，水分從細胞內流出，造成膨壓減少，氣孔也因此逐漸閉合 (Lawson et al., 2014; Xu et al., 2016)。此外，亦有研究指出細胞內離層酸 (abscisic acid) 的濃度變化促使氣孔開閉的反應途徑和二氧化碳的相似，兩者 2.

(13) 之間可能有密切關連 (Vavasseur & Raghavendra, 2005)。這種由二氧化碳濃度變化所驅動的氣孔孔徑調節機制能夠減少水分散失，提升植物的水分利用效率 (water-use efficiency)，有研究認為此機制可能在現今維管束植物的共同祖先就已存在 (Kenrick & Crane, 1997)。第二節、蕨類植物的氣孔對環境二氧化碳濃度變化之反應相較於被子植物，蕨類植物屬於演化時期上較早出現的維管束植物，以蕨類植物作為研究對象有助於了解環境因素改變造成氣孔孔徑變化的機制是否在維管束植物演化早期就已經存在。然而，過去對於氣孔的了解主要來自於對被子植物的研究 (Morison & Gifford, 1983; Morison, 1985; Ball et al., 1987; Roberntz & Stockfors, 1998)，少有對於蕨類等較古老的維管束植物類群的相關研究，其氣孔是否與被子植物氣孔有相似的反應仍未被充分了解。近年來的不同研究對於蕨類植物氣孔在環境中二氧化碳濃度變化下的反應有所爭議。例如 Doi 和 Shimazaki (2008) 將鐵線蕨 (Adiantum capillus-veneris) 置於黑暗中，並且調控葉片周圍的環境二氧化碳濃度，結果發現在 350 μL L-1、0 μL L-1 及 1200 μL L-1 等三種不同濃度下，氣孔的開啟程度幾乎無變化；相反地，研究中以阿拉伯芥 (Arabidopsis thaliana) 作為對照組，其氣孔在二氧化碳濃度由 350 μL L-1 改變至 0 μL L-1 時顯著開啟，且由 0 μL L-1 改變至 1200 μL L-1 時顯著閉合。Brodribb 等人 3.

(14) (2009) 利用 1 種石松植物、5 種蕨類植物、4 種裸子植物及 5 種被子植物為研究對象，測試其氣孔在不同環境二氧化碳濃度變化下的開啟程度以及水分利用效率，結果顯示所有物種的氣孔在二氧化碳濃度由 380 ppm (parts per million) 降低為 100 ppm 的情況下皆會明顯開啟，且不同植物類群間沒有顯著差異，但提高濃度至 600 ppm 時，蕨類植物及石松植物的氣孔卻未顯著地閉合且閉合程度明顯低於裸子植物及被子植物，其水分利用效率也顯著低於被子植物。Doi 和 Shimazaki (2008) 及 Brodribb 等人 (2009) 的研究皆指出環境二氧化碳濃度改變後，氣孔孔徑改變的機制可能是僅存在於維管束植物演化上較新的類群。Ruszala 等人 (2011) 的研究則與前人之研究 (Doi & Shimazaki, 2008; Brodribb et al., 2009) 結果相反，作者以藍地柏 (Selaginella uncinata) 為研究物種，發現隨著環境二氧化碳濃度上升，其氣孔逐漸閉合，且在二氧化碳濃度為 425 ppm 及 700 ppm 時，氣孔孔徑大小皆顯著低於在 0 ppm 時的大小。Franks 和 Britton-Harper (2016) 比較 3 種蕨類植物及 1 種被子植物的氣孔在環境二氧化碳濃度變化下的反應，研究結果指出二氧化碳濃度由 400 ppm 降低至 200 ppm 時氣孔皆會明顯地開啟，由 400 ppm 提升至 800 ppm 時，氣孔皆會明顯地閉合，且氣孔閉合都有效地促進水分利用效率，在不同環境二氧化碳濃度下，研究物種也皆能夠藉由氣孔變化維持二氧化碳濃度在細胞間隙 4.

(15) (intercellular carbon dioxide concentration, ci) 和環境之間的比值 (ci/ca ratio)。Ruszala 等人 (2011) 及 Franks 和 Britton-Harper (2016) 的研究結果皆指出環境二氧化碳濃度改變後，氣孔孔徑改變的機制可能在維管束植物演化上較早期的類群就已存在，而非在較近期的類群才存在。Creese 等人 (2014) 的研究中利用常見棲地較開闊及較陰暗的各 5 種蕨類植物為研究對象，測量氣孔在環境二氧化碳濃度由 0 Pa 升高至 200 Pa 後的反應，結果發現小葉瓶爾小草 (Ophioglossum nudicaule) 及粉葉蕨 (Pityrogramma calomelanos) 的氣孔顯著開啟，掌葉澤潟蕨 (Hemionitis palmata)、尼加拉瓜金星蕨 (Thelypteris nicaraguensis) 及寬葉鐵線蕨 (Adiantum latifolium) 的氣孔顯著閉合，其餘 5 物種的變化則不明顯。Hõrak 等人 (2017) 的研究也指出在不同培養環境下的夫人蕨 (Athyrium filix-femina) 及刺葉鱗毛蕨 (Dryopteris carthusiana) 的氣孔在環境二氧化碳濃度由 400 ppm 降低為 100 ppm 時有類似阿拉伯芥的氣孔快速且顯著開啟的情形，濃度由 100 ppm 提升為 400 ppm 及 800 ppm 時也皆顯著閉合，但是歐洲鱗毛蕨 (Dryopteris filix-mas) 的氣孔在環境二氧化碳濃度提升至高濃度時未顯著閉合。Creese 等人 (2014) 及 Hõrak 等人 (2017) 的研究皆認為當環境二氧化碳濃度上升，蕨類植物的氣孔敏感性在物種間以及不同生長環境可能有所不同。目前科學家對於蕨類氣孔在環境二氧化碳濃度變化下的反應尚無一致 5.

(16) 看法，其調節氣孔的能力是否與水分利用效率密切相關更是有待釐清。第三節、研究動機植物的氣孔在調控全球碳和水循環扮演極為重要的角色。大氣圈的碳元素約有七分之一透過氣孔進入生物圈 (Ciais et al., 1997)，而陸地的降水量約每年約 11 萬立方公里，其中約 7 萬立方公里是來自植物蒸散作用及土壤蒸發 (Jackson et al., 2001)，對地球的氣候及生態系統都影響甚鉅。氣孔可以反映不同地質年代的氣候條件 (Berry et al., 2010)，過去研究對於氣孔在碳與水循環中的貢獻著重於被子植物－現今陸地上的優勢植物類群，而少考慮到不同植物譜系間氣孔的功能可能存在差異，若是蕨類的氣孔對特定環境因子變化的敏感性異於一般對於氣孔之認知，就可能需要修改從葉片、個體、地景生態等等的所有尺度的植物氣體交換 (gas exchange) 的預測 (Franks & Britton-Harper, 2016)。此外在全球氣候變遷下，大氣二氧化碳濃度呈現持續上升的趨勢 (Marcott et al., 2013; Ballantyne et al., 2012)，本研究有助於預測蕨類植物未來受到氣候變遷影響所可能產生的反應，更能夠幫助了解氣孔的演化、在不同植物類群中的功能以及其對植物生理生態的影響。. 6.

(17) 第四節、研究問題根據前人的研究 (Doi & Shimazaki, 2008; Brodribb et al., 2009; Ruszala et al., 2011; Creese et al., 2014; Franks & Britton-Harper, 2016; Hõrak et al., 2017)，在環境二氧化碳濃度變化之下，蕨類植物的氣孔反應情形及調節水分利用效率的能力仍充滿爭議，其與被子植物是否相似亦有待釐清。本研究測量 9 種蕨類植物、1 種石松植物以及 2 種被子植物在改變環境二氧化碳濃度後的氣孔導度 (stomatal conductance) 變化及反應時間以探討：(1) 環境二氧化碳濃度由低變高及由高變低的情況下，蕨類植物的氣孔是否會有快速且明顯的變化？ (2) 若會明顯變化，是否顯著影響葉片的 ci/ca 值？(3) 是否顯著提升葉片的水分利用效率？. 7.

(18) 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%，氣候條件溫暖潮濕，適合多數蕨類植物生長。在此區域內能夠取得物種數及個體數足夠的研究樣本，並確保能在外在環境條件相近的情況下進行田間實驗。為釐清蕨類植物的氣孔對於環境二氧化碳濃度改變的敏感性機制是否普遍存在於屬於不同演化時期的物種，而非僅存在於部分類群，研究物種如表格 1 所列，包含 9 種蕨類植物：至今約 1.2 億年內出現在地球上的骨碎補科 (Davalliaceae) 的闊葉骨碎補 (Davallia 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.)、 8.

(19) 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。. 9.

(20) 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). 10.

(21) 第二節、光飽和點 (light saturation point) 測量為確保葉片受到充足的光照且光照強度不會對葉片造成光抑制作用 (photoinhibition) 或光氧化作用 (photooxidation) 等損害 (Foyer et al., 1994; Long et al., 1994)，每物種事先挑選 1 株個體的 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 (圖 1)。葉室內的相對濕度設定為 50%至 55%，流速為 500 µmol s-1，葉溫為 27 至 29 °C，二氧化碳濃度為 410 ppm。以 LED 人工紅藍光源 (6400-02B RedBlue; LI-COR, Lincoln, USA) 將葉室 (leaf chamber) 內的葉片由低至高施予 6 至 8 個不同的光照強度 (0, 25, 50, 100, 200, 400, 600, 800, 1000 µmol m-2 s-1)，紅光分率為 87% 至 90%，藍光分率為 10%至 13%，測量在各個光照強度下的光合作用效率 (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 11.

(22) 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，其指的是單位面積葉片每秒由氣孔所排出的水蒸氣量 (單位可記為 molwater m-2 s-1)。細胞間隙和環境中二氧化碳濃度的比值 (ci/ca ratio) 變化情形反映葉片氣體交換的通量 (flux) 是否穩定，一般認為植物能夠藉由調節氣孔變化來維持葉片的 ci/ca 值，使得二氧化碳的通量穩定，以利生理機制正常進行 (Ehleringer & Cerling, 1995)，因此測量 ci/ca 值能用以評估在環境二氧化碳濃度變化之下氣孔的敏感性對於植物生理的重要性。氣孔是環境二氧化碳進入植物體內的途徑，但水分也會由氣孔散失至大氣中。在環境二氧化碳濃度高的情況下，調節氣孔閉合能夠提高水分利用效率，有利於植物生長 (Cowan, 1978)。為探討蕨類氣孔的敏感性是否確實影響其水分控制，因此測量葉片的水分利用效率變化。水分利用效率之意義為氣孔開啟所散失的水分能夠換來吸收的碳的量，其相當於光合作用效率 (A) 與蒸散速率 (transpiration rate, E) 之比值 (A/E) (Keenan et al., 2013)。氣孔導度、ci/ca 值、光合作用效率及蒸散速率均可同時被測得。測量方式修改自前人之研究 (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 12.

(23) 內的相對濕度設定為 50%至 55%，每次測量中的濕度變化小於 1%。流速設定為 500 µmol s-1。葉溫設定為 18 至 30 °C，為避免設定的溫度超出儀器所能控制的範圍，每次測量所設定的葉溫接近當日的大氣溫度，且葉溫變化小於 1 °C。光照強度依各物種的光飽和點設定，紅光分率為 87%至 90%，藍光分率為 10%至 13%。葉室內的二氧化碳濃度設定以現今全球平均大氣二氧化碳濃度 410 ppm (參考自 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，此濃度相較於前人研究中所設定之最高濃度高出許多，更能夠明顯反映出氣孔在環境二氧化碳濃度高的情況下的反應情形。各環境因素之調整皆可由測量儀器設定並達成。為避免葉片在剛接受到設定光照、濕度及溫度時會有氣孔快速張開後再逐漸閉合，可能造成誤判穩定數值的情形，所有測量都會先將葉片置於已設定完成環境條件的葉室中至少 30 分鐘後再開始由測量系統每 30 秒自動記錄數值。在每個二氧化碳濃度下至少持續 20 分鐘，若氣孔導度數值在 10 分鐘內的變化率小於 5% 則視為達到穩定，即可將二氧化碳濃度調整至下個濃度。二氧化碳濃度設定依序為 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 13.

(24) 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。 14.

(25) 表格 2 研究中各物種所選用的光照強度及前測中該光照強度下的光合作用效率、氣孔導度、ci/ca 值與水分利用效率 (n=1)。光照強度. 光合作用效率. (µmol m-2 s-1). (µmol m s ). ( mol m s ). 卵葉鱗球花. 200. 5.32. 0.15. 0.84. 4.03. 姑婆芋. 600. 2.34. 0.060. 0.82. 3.15. 闊葉骨碎補. 200. 5.73. 0.094. 0.73. 6.00. 腎蕨 (地生型). 400. 4.14. 0.051. 0.64. 9.95. 腎蕨 (附生型). 400. 2.62. 0.070. 0.83. 4.77. 南洋巢蕨. 600. 3.65. 0.039. 0.61. 5.69. 傅氏鳳尾蕨. 200. 2.59. 0.063. 0.82. 4.09. 粗毛鱗蓋蕨. 200. 1.44. 0.039. 0.83. 3.28. 筆筒樹. 800. 13.70. 0.37. 0.81. 4.51. 芒萁. 600. 7.11. 0.18. 0.80. 3.93. 粗齒革葉紫萁. 400. 5.08. 0.088. 0.75. 5.18. 觀音座蓮. 200. 2.70. 0.058. 0.80. 4.66. 藍地柏. 100. 2.36. 0.047. 0.78. 4.38. 物種. -2. -1. 15. 氣孔導度 -2 -1. 水分利用效率. ci/ca. (µmol CO2 mol-1 H2O).

(26) 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。. 16.

(27) 第三章、結果第一節、不同環境二氧化碳濃度下的氣孔導度變化率各物種的氣孔導度變化情形如圖 2 至圖 14 所示，在將環境二氧化碳濃度由 410 ppm 改變至 200 ppm、200 ppm 至 1600 ppm 及 1600 ppm 至 410 ppm 後，氣孔導度達到穩定時的變化率平均值分別如圖 15 至圖 17 所示。在環境二氧化碳由最初濃度 (410 ppm) 改變至低濃度 (200 ppm) 的情況下 (圖 15)，物種內的氣孔導度皆顯著變高 (p< 0.05)，其中筆筒樹的平均變化率最多 (110.43%)，觀音座蓮的平均變化率最少 (16.95%)；所有物種間的氣孔導度變化率具有顯著差異 (F=2.87, p=0.0032)，事後比較的結果顯示筆筒樹與芒萁 (22.82%, p=0.026)、粗齒革葉紫萁 (19.15%, p=0.016) 及觀音座蓮 (16.95%, p=0.012) 的氣孔導度變化率具有顯著差異，其餘物種間的皆無顯著差異 (p>0.05)。在環境二氧化碳由低濃度 (200 ppm) 改變至高濃度 (1600 ppm) 的情況下 (圖 16)，所有物種內的氣孔導度皆顯著變低 (p<0.05)，其中筆筒樹的平均變化率最多 (-86.19%)，藍地柏的平均變化率最少 (-32.51%)；物種間的氣孔導度變化率具有顯著差異 (F=6.81, p<0.001)，事後比較的結果顯示藍地柏分別與筆筒樹 (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%, 17.

(28) p=0.0099)、南洋巢蕨 (-68.79%, p=0.013)、附生型腎蕨 (-68.06%, p=0.017)、粗齒革葉紫萁 (-67.99%, p=0.017) 及卵葉鱗球花 (-66.34%, p=0.029) 的氣孔導度變化率具有顯著差異，傅氏鳳尾蕨 (-37.06%) 分別與筆筒樹 (p<0.001)、姑婆芋 (p<0.001)、粗毛鱗蓋蕨 (p=0.013)、地生型腎蕨 (p=0.0014) 及芒萁 (p=0.024) 的氣孔導度變化率具有顯著差異，闊葉骨碎補 (-38.14%) 分別與姑婆芋 (p<0.001)、筆筒樹 (p<0.001)、粗毛鱗蓋蕨 (p=0.019) 及地生型腎蕨 (p=0.0020) 的氣孔導度變化率具有顯著差異，其餘物種間的皆無顯著差異 (p>0.05)。在環境二氧化碳由高濃度 (1600 ppm) 改變至最初濃度 (410 ppm) 的情況下 (圖 17)，只有闊葉骨碎補和藍地柏的氣孔導度無顯著變化，平均變化率分別為-0.42% (p=0.68) 和 15.94% (p=0.38)，其餘物種的氣孔導度皆顯著變高 (p<0.05)，其中姑婆芋的平均變化率最高 (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)、粗齒革葉紫萁 (252.24%, p=0.0043) 及筆筒樹 (225.73%, p=0.018) 的變化率具有顯著差異，藍地柏分別與姑婆芋 (p<0.001)、粗齒革葉紫萁 (p=0.010) 及筆筒樹 (p=0.039) 的變化率具有顯著差異，傅氏鳳尾蕨 (25.54%) 分別與姑婆芋 (p<0.001)、及粗齒革葉紫萁 (p=0.017) 的變化率具有顯著差異，卵葉鱗球花 (76.72%) 與姑婆芋 (p=0.0048) 的變化率具 18.

(29) 有顯著差異，其餘物種間的氣孔導度變化率皆無顯著差異 (p>0.05)。第二節、達氣孔導度改變率之一半時的所需時間各物種在將環境二氧化碳濃度由 410 ppm 改變至 200 ppm、200 ppm 至 1600 ppm 及 1600 ppm 至 410 ppm 後，達到氣孔導度變化率的一半時所需耗費的平均時間分別如圖 18 至圖 20 所示。在環境二氧化碳由最初濃度 (410 ppm) 改變至低濃度 (200 ppm) 的情況下，闊葉骨碎補所需要耗費的平均時間最長 (19.09 分鐘)，地生型腎蕨的平均時間最短 (4.94 分鐘)，物種間的時間無顯著差異 (F=1.69, p=0.091)。在環境二氧化碳由低濃度 (200 ppm) 改變至高濃度 (1600 ppm) 的情況下，物種間所需要耗費的時間具有顯著差異 (F=2.33, p=0.015)，其中闊葉骨碎補的平均時間最長 (59.87 分鐘)，卵葉鱗球花的平均時間最短 (11.68 分鐘)，事後比較的結果顯示闊葉骨碎補的時間分別與卵葉鱗球花 (p<0.001) 及觀音座蓮 (17.08 分鐘，p=0.029) 的時間之間具有顯著差異，其餘物種間的時間皆無顯著差異 (p>0.05)。在環境二氧化碳由高濃度 (1600 ppm) 改變至最初濃度 (410 ppm) 的情況下，物種間所需要耗費的時間具有顯著差異 (F=3.36, p<0.001)，其中闊葉骨碎補的平均時間最長 (16.51 分鐘)，粗毛鱗蓋蕨的平均時間最短 (5.03 分鐘)，事後比較的結果顯示闊葉骨碎補的時間分別與粗毛鱗蓋蕨 (p=0.0023)、南洋巢蕨 (6.70 分鐘，p=0.018)、地生型腎蕨 (6.83 19.

(30) 分鐘，p=0.021) 及附生型腎蕨 (7.15 分鐘，p=0.030) 的時間之間具有顯著差異，其餘物種間的時間皆無顯著差異 (p>0.05)。第三節、不同環境二氧化碳濃度下的 ci/ca 值各物種在不同環境二氧化碳濃度下氣孔導度達到穩定狀態時的 ci/ca 值如圖 21 所示。所有物種的 ci/ca 值平均為 0.74，其中南洋巢蕨的平均值最低 (0.63)，卵葉鱗球花的平均值最高 (0.85)。姑婆芋的變動幅度最大，與平均值相差 6%至 37%，卵葉鱗球花的變動幅度最小，與平均值相差 1%至 4%。所有物種的 ci/ca 值在環境二氧化碳濃度為 200 ppm 時皆高於平均值，而在 1600 ppm 時除了卵葉鱗球花、闊葉骨碎補及傅氏鳳尾蕨之外皆低於平均值。在不同環境二氧化碳濃度變化之間，所有物種的 ci/ca 值皆無顯著差異 (p>0.05)，能夠維持在穩定的狀態。第四節、高環境二氧化碳濃度下的水分利用效率假設氣孔不會因環境二氧化碳濃度升高而有所反應，蒸散速率固定在 200 ppm 時的數值，利用此蒸散速率計算在 1600 ppm 時的水分利用效率，並與實際測得的水分利用效率比較，計算氣孔閉合所促進的水分利用效率的成長率 (圖 22 及 23)，其中筆筒樹的平均成長率最多 (614.66%)，藍地柏的平均成長率最少 (56.34%)。各物種內實際測得的水分利用效率皆顯著高於預期值 (p<0.05)，且在物種間的水分利 20.

(31) 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。. 21.

(32) 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。. 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。 22.

(33) 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。. 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。 23.

(34) 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。. 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。 24.

(35) 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。. 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。 25.

(36) 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。. 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。 26.

(37) 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。. 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。 27.

(38) 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。. 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)。 28.

(39) 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)。. 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)。 29.

(40) 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)。. 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)。 30.

(41) 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)。. 31.

(42) 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)。. 32.

(43) 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)。. 33.

(44) 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。 34.

(45) 第四章、討論本研究所使用的 9 種出現時間差異相當大的蕨類植物、1 種石松植物以及 2 種被子植物在光照、溫度及濕度等環境因素固定的情況下，氣孔對於環境二氧化碳濃度變化幾乎都有明顯且快速的反應。將二氧化碳濃度由 410 ppm 降低至 200 ppm 後，其氣孔導度皆顯著提升 (圖 15)，此結果與前人的研究結果相符 (Brodribb et al., 2009; 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 22.82%、19.15%及 16.95%，推測和其演化初期的大氣環境有關。當時屬於三疊紀 (Triassic) 早期至石炭紀 (Carboniferous) (約 2.3 億至 3.5 億年前) (Pryer et al., 2004)，是大氣中的二氧化碳濃度較低 (<600 ppm) 的地質年代 (Berner, 1993)，氣孔可能長時間保持在較為開啟的狀態，幫助適應當時二氧化碳濃度較低的環境。故研究中將環境二氧化碳濃度由 410 ppm 降低為 200 ppm 時，環境變化的情形對其而言是 35.

(46) 容易適應的，氣孔的變化程度相較於其他研究物種較不明顯。然而環境二氧化碳濃度由 1600 ppm 改變至 410 ppm 時，其平均氣孔導度變化率大幅提升 (圖 17)，分別上升 182.62%、252.24%及 128.50%，顯示其氣孔確實具有感受環境二氧化碳濃度下降並調節開啟程度的機制，但此機制可能在濃度變化相當大時才容易被明顯觀察到。此外，闊葉骨碎補 (圖 4) 和藍地柏 (圖 14) 的氣孔導度在二氧化碳濃度由 1600 ppm 改變至 410 ppm 時並未顯著提升甚至些微下降，傅氏鳳尾蕨 (圖 8) 的氣孔導度變化率也不高，其原因可能是在二氧化碳濃度為 1600 ppm 的情況下，氣孔的敏感性較低，氣孔導度下降較少，並未達到明顯低於 410 ppm 時的數值就已達到研究中所定義的穩定狀態，因此當二氧化碳濃度由 1600 ppm 降低為 410 ppm 時，其氣孔也不會明顯地開啟。但由於闊葉骨碎補、藍地柏及傅氏鳳尾蕨在環境二氧化碳濃度由 410 ppm 降低為 200 ppm 時的氣孔導度顯著上升，平均變化率分別為 85.92%、31.16%及 37.95%，表示其仍有在環境二氧化碳濃度降低時調節氣孔開啟的機制。環境二氧化碳濃度由 410 ppm 改變至 200 ppm 各研究物種達到氣孔導度改變率之 50%時所需要耗費的時間平均約為 5 至 19 分鐘 (圖 18)，所有物種之間沒有顯著差異；而由 1600 ppm 改變至 410 ppm 時，平均時間約為 5 至 17 分鐘 (圖 20)，僅有闊葉骨碎補的時間略久，與 36.

(47) 粗毛鱗蓋蕨、南洋巢蕨與腎蕨之間有顯著差異。Brodribb 等人 (2009) 的研究測量被子植物、裸子植物及蕨類植物在將環境二氧化碳濃度由 380 ppm 降低為 100 ppm 時氣孔反應程度一半之所需時間，所有物種的平均時間皆為 10 至 20 分鐘。此結果與本研究結果相似，反映出植物對於環境二氧化碳濃度降低可能皆具有高敏感性，能夠快速地開啟氣孔，有助於增加從環境中獲取的二氧化碳來維持生理機制正常運作。將環境二氧化碳濃度由 200 ppm 提升至 1600 ppm 後 (圖 16)，各物種的氣孔導度皆有顯著的下降，此結果與部分前人的研究結果相符 (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 exaltata) 等物種分別僅為 8.31%及-11.12%，作者以此為依據，表示該物種的氣孔對於環境二氧化碳濃度上升時的敏感性低，不會明顯地 37.

(48) 閉合。本研究中所使用的筆筒樹及腎蕨分別與此二物種為同屬近緣的物種，在二氧化碳濃度由 200 ppm 升高至 1600 ppm 後的氣孔導度平均變化率分別為-86.19%及-74.83%，與前人的研究結果差異極大。本研究中闊葉骨碎補、傅氏鳳尾蕨及藍地柏的氣孔導度變化率較少，分別平均下降 38.14%、37.06%及 32.51%，其他物種皆平均至少下降 59.37%且物種間無顯著差異。由於本研究所設定的環境二氧化碳濃度為 1600 ppm，相較於前人研究 (Doi & Shimazaki, 2008; Brodribb et al., 2009) 高出許多，且可能高於研究物種演化初期時大氣中的二氧化碳濃度 (Berner, 1993; Pryer et al., 2004)，故本研究認為蕨類植物確實具有能感應環境中二氧化碳濃度上升並且調節氣孔閉合的機制，但此機制可能需要二氧化碳濃度相當高時才會明顯被觀察到。此外，氣孔對於環境二氧化碳濃度升高的變化程度並無愈近期演化出的物種愈明顯的趨勢，由二氧化碳濃度升高而促使氣孔閉合的機制可能在維管束植物演化早期就已經存在，此結果與前人之研究結果 (Doi & Shimazaki, 2008; Brodribb et al., 2009) 不符。環境二氧化碳濃度由 200 ppm 改變至 1600 ppm 時各研究物種達到氣孔導度改變率之 50%時所需要耗費的平均所需時間 (圖 19) 除了闊葉骨碎補所需時間較久、敏感性較低，其與卵葉鱗球花及觀音座蓮有顯著差異，其餘物種間的所需時間沒有顯著差異。Brodribb 等人 38.

(49) (2009) 的研究中測量植物在黑暗中對於環境二氧化碳濃度由 380 ppm 升高至 600 ppm 時氣孔反應程度一半之所需時間，結果發現蕨類及石松植物的時間為 17 至 165 分鐘，平均值約為 71 分鐘，而被子植物的平均時間約為 15 分鐘，兩類群的反應時間差異相當大。相反地，本研究中兩種被子植物的氣孔面臨環境二氧化碳升高時的反應時間與大多數研究中的蕨類及石松植物相似，因此推測高或低敏感性並非存在於特定的植物類群中，且氣孔的敏感性可能受到其他因素影響。氣孔是植物感受環境變化的重要構造，對植物生理影響重大。在不同環境二氧化碳濃度變化下，研究中所有蕨類植物都能夠和被子植物一樣維持細胞間隙與環境中二氧化碳濃度的比值 (ci/ca ratio) (圖 21)，反映出氣孔敏感性的重要，當環境二氧化碳濃度降低，氣孔開啟有利於提升細胞間隙二氧化碳濃度；相反地當環境二氧化碳濃度升高，氣孔閉合能避免過多二氧化碳進入植物體內。兩者皆能夠幫助維持 ci/ca 值，可能使得光合作用等生理機制得以正常進行，減少因環境變化對植物造成的損害 (Ehleringer & Cerling, 1995)。環境二氧化碳濃度為 1600 ppm 的情況下，研究物種皆能夠顯著地將氣孔閉合，降低蒸散量，明顯地提升水分利用效率 (圖 22 及 23)，此結果與 Franks 及 Britton-Harper (2016) 之研究結果相符，且發現氣孔閉合程度愈多的物種，愈能夠有效的提升水分利用效率，兩者之間密切相關 (圖 24)。 39.

(50) 當環境二氧化碳濃度高時，雖然氣孔閉合可能減少得到二氧化碳的量，但在細胞間隙內的二氧化碳充足的情況下，更能夠有效地提升水分利用效率。隨著大氣中二氧化碳濃度上升，蕨類植物的水分利用效率可能有增加的趨勢，也對植物的生物量帶來正面影響 (Morison & Gifford, 1984)，顯示出氣孔感應環境二氧化碳濃度升高而閉合的機制對於植物生長的重要性。氣候變遷下，許多植物的水分利用效率也有所提升 (Keenan et al., 2013)，此部分的結果也有助於評估未來全球二氧化碳濃度升高的情況下蕨類植物的生理生態變化。本研究探討蕨類植物的氣孔在不同環境二氧化碳濃度變化下的反應情形，然而氣孔對於環境二氧化碳濃度變化之敏感性可能受到其他因素影響。例如 Franks 和 Farquhar (2007) 的研究指出物種本身的細胞構造與氣孔的敏感性密切關連，作者發現小麥 (Triticum aestivum) 調節氣孔孔徑變化的能力較其他研究物種佳，原因可能是保衛細胞與周圍的輔助細胞 (subsidiary cell) 的緊密程度高，輔助細胞能夠透過改變滲透壓來快速地改變型態，進而影響保衛細胞的變化；Drake 等人 (2013) 則以 5 種佛塔樹屬 (Banksia) 的植物為研究對象，分析其在環境變化下氣孔大小與氣孔導度變化率及氣孔反應速度之關聯，結果指出氣孔愈小其敏感性愈高。二氧化碳濃度和其他的環境因素也可能交互影響氣孔的敏感性，例如 Frechilla 等人 (2002) 將蠶豆 (Vicai 40.

(51) faba) 置於濕度較低的溫室及濕度較高的培養箱中，初步結果發現蠶豆的氣孔在培養箱中對於環境二氧化碳濃度變化的敏感性較高，在溫室中則是無明顯反應，後續的研究結果 (Talbott et al., 2003) 則顯示將溫室的濕度提高後氣孔對二氧化碳濃度變化的敏感性有所提升。 Hõrak 等人 (2017) 的研究則指出夫人蕨的氣孔在相對濕度為 70%的情況下對於二氧化碳濃度變化的氣孔導度變化率相較於在相對濕度為 30%時來得大，且反應速度也較快。Frechilla 等人 (2002)、Talbott 等人 (2003) 及 Hõrak 等人 (2017) 的研究結果皆指出環境濕度會影響氣孔對於環境二氧化碳濃度變化的敏感性。Creese 等人 (2014) 的研究則指出光照強度會影響氣孔對於環境二氧化碳濃度變化之敏感性，其研究中尼加拉瓜金星蕨的氣孔導度對於二氧化碳濃度上升時在黑暗中 (0 µmol m-2 s-1) 顯著下降，在強光 (1500 µmol m-2 s-1) 照射下則無顯著變化，而寬葉鐵線蕨的氣孔導度對於環境二氧化碳濃度上升時在黑暗中無顯著變化，在強光照射下則顯著下降。Brodribb 等人 (2009) 的研究中測量蕨類植物在黑暗中提高環境二氧化碳濃度下達到氣孔導度變化率之一半時的所需時間，與本研究中的同屬物種在合適光線下的所需時間差異相當大，故推測光照強度可能是影響氣孔敏感性的重要因子之一。此外，Doi 等人 (2015) 的研究發現水龍骨科 (Polypodiaceae) 等較近期分化出來的蕨類植物可能不具有受到藍光 41.

(52) 刺激造成氣孔變化的反應機制，影響到對於其他環境變化的敏感性，本研究中所使用的闊葉骨碎補屬於骨碎補科，與水龍骨科同為較新的蕨類植物類群，其對於環境二氧化碳濃度變化的敏感性相較於其他研究物種也較低，故推測其可能也缺乏或對於藍光刺激氣孔變化的機制較不敏感。蕨類植物的氣孔對於環境二氧化碳濃度變化之敏感性可能受到其他因素影響，在不同物種之間也可能存在差異，然而實際影響氣孔敏感性的因素仍有待進一步研究來釐清。. 42.

(53) 第五章、結論氣孔是植物感應環境變化的重要構造，當環境條件改變時能夠適當地開啟或閉合以調節光合作用及蒸散作用之間的平衡，對於生物圈及大氣圈之間的交互調節是不可或缺的角色。蕨類植物屬於維管束植物中較古老的植物類群，適合用以探討氣孔在演化早期的功能。科學家對於蕨類植物在環境中二氧化碳濃度變化的反應情形尚未有所共識。本研究利用 9 種蕨類植物、1 種石松植物以及 2 種被子植物來探討氣孔在不同環境二氧化碳濃度變化下的敏感性。結果發現當環境二氧化碳濃度降低後，研究物種的氣孔敏感性高，皆會顯著且快速地開啟；當環境二氧化碳濃度升高時，所有研究物種的氣孔導度皆顯著地下降，且大部分物種的氣孔閉合速度無顯著差異，氣孔閉合也有效地提升了植物利用水分的效率。在環境二氧化碳濃度變化之間，氣孔也能夠幫助維持葉片的 ci/ca 值。氣孔對環境二氧化碳濃度升高的敏感性存在於蕨類植物、石松植物及被子植物之中，少部分物種的氣孔改變程度及閉合速度較低，此差異可能與細胞構造或其他環境因素有密切關聯。本研究探討蕨類植物的氣孔對於環境二氧化碳濃度變化的反應，能夠幫助了解氣孔的演化、對於植物生理的重要性以及其如何影響不同植物類群適應環境的能力。. 43.

(54) 第六章、參考文獻 Ainsworth, E. A., & Rogers, A. (2007). The response of photosynthesis and stomatal conductance to rising [CO2]: mechanisms and environmental interactions. Plant, Cell & Environment, 30(3), 258-270. Ball, J. T., Woodrow, I. E., & Berry, J. A. (1987). A model predicting stomatal conductance and its contribution to the control of photosynthesis under different environmental conditions. In Progress in Photosynthesis Research (pp. 221-224). Springer, Dordrecht. Ballantyne, A. P., Alden, C. B., Miller, J. B., Tans, P. P., & White, J. W. C. (2012). Increase in observed net carbon dioxide uptake by land and oceans during the past 50 years. Nature, 488(7409), 70-72. Berner, R. A. (1993). Paleozoic atmospheric CO2: importance of solar radiation and plant evolution. Science, 261(5117), 68-70. Berry, J., & Björkman, O. (1980). Photosynthetic response and adaptation to temperature in higher plants. Annual Review of Plant Physiology, 31(1), 491-543. Berry, J. A., Beerling, D. J., & Franks, P. J. (2010). Stomata: key players in the earth system, past and present. Current Opinion in Plant Biology, 13(3), 232-239. Brodribb, T. J., McAdam, S. A., Jordan, G. J., & Feild, T. S. (2009). Evolution of stomatal responsiveness to CO2 and optimization of water‐use efficiency among land plants. New Phytologist, 183(3), 839-847. 44.

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