台灣固有植物光合作用多樣性研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

台灣固有植物光合作用多樣性研究

中 華 民 國 95 年 2 月 15 日

摘要 關鍵詞：固有種；光合作用；碳穩定性同位素比值 台灣因為環境特殊，造就很高的植物多樣性，其中固有種更高達 1067 種，有些 固有種其分布相當廣泛，其他固有種的分布範圍則變異很大。預期這些固有種 其光合作用特性也會有相當的變化，並具有不同適應機制。穩定性同位素技術 已逐漸成為生物學者用以探討生物體生化、生理、代謝活性和自然界物質循環 等方面研究的有力工具。其中穩定性碳同位素分析技術已普遍被應用在探討植 物的光合特性，例如植物所行的光合作用途徑。本研究長期目標在探討台灣固 有種植物其光合作用之多樣性。本計畫初步分析固有種穩定性碳同位素比值， 以 survey 台灣固有植物其光合作用途徑。已分析之固有種其穩定性碳同位素比 值 (13C)介於 -34.5 to –10.8 ‰。大致可分為三群：其中一群13C 值介於 -34.5 to –25.1 ‰，屬於 C3 植物範圍；另一群13C 值介於 -14.8 to –10.8 ‰，屬於 C4 植物範圍；有二蘭科固有種(Bulbophyllum albociliatum and B. melanoglossum)其 13C 值分別為-20.2 ‰， -21.6 ‰，應該是屬於 CAM 植物範圍。

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英文摘要。（五百字以內）

Keywords：endemic species; photosynthetic pathway; stable carbon isotope ratio;

Recently, carbon isotope ratio analyses have shown great promise for use as a tool to understand integrated plant behavior. For example, analysis of13C ratio of plants has been widely used to identify photosynthetic pathways and to compare the long-term photosynthetic water use efficiency. There are 1067 species of endemic plants in Taiwan. Their photosynthetic performance has not been thoroughly characterized. Thus, the long-term goal of my study is to understand the

photosynthetic characteristics of these endemic plants, especially those distributing at high elevations. In this preliminary study, the13C of endemic plants were

analyzed. The specific objective was to determine the presence and abundance of C3, C4 and CAM photosynthetic pathways in endemic plants. The13C values of

samples analyzed vary from -34.5 to -10.8 ‰ which can be classified into three groups. One group of samples had13C values between -34.5 to –25.1 ‰,

indicating C3 plants, samples in the 2ndgroup between -14.8 to –10.8 ‰, indicating C4 plants, and those of the 3rdgroup, Bulbophyllum albociliatum and B.

2 一、前言 光合作用是世界上大部分生物得以生存的關鍵。植物除了在遺傳和外表特徵演 化出多樣性外，其光合作用特性也因為環境變化而演化出多樣性。陸生植物根 據其光合作用途徑，可分為 C3, C4 or CAM plants。一般認為 C3 型植物為了適 應乾旱環境或 CO2 濃度降低而演變出 C4 和 CAM 光合作用途徑。因光合作用 對生物生存有決定性的影響，其在生物演化多樣性上必然扮演重要的角色。 二、研究目的 台灣因為環境特殊，造就很高的植物多樣性，固有種更高達 1067 種(Hsieh, 2003)，有些固有種其分布相當廣泛，其他固有種其分布則變異大。一般而言， 台灣植物種數隨海拔高度增加而減少，相反地固有種的比例卻隨海拔高度增加 而增高(Hsieh, 2003)。預期這些固有種其光合作用特性也會有相當的變化，並具 有不同適應機制；特別是在高海拔地區的固有種，其光合作用如何適應特殊環 境，是很值得研究的課題。本研究長期目標在探討台灣固有種植物光合作用之 多樣性。 三、文獻探討 傳統檢驗植物所使用的光合作用途徑可藉由葉面切片〈是否有 Kranz structure〉，或藉由光合酵素分析﹙PEP carboxylase 量的多寡決定﹚，或進行光 合細胞 pH 值滴定。這些方法各有其缺點。例如目前已知 C4 植物不一定具備 Kranz structure；檢驗光合酵素或光合細胞 pH 值滴定均必須用活的樣品，不 適用於乾燥標本樣品。且上述方法均相當耗時，不適合用在作大規模的 survey。

自然界元素以穩定性和非穩定性（即放射性）形式存在。近年穩定性同位 素技術已逐漸成為生物學者用以探討生物體生化、生理、代謝活性和自然界物 質循環等方面研究的有力工具(Rundel, Ehleringer and Nagy, 1989; Ehleringer, Hall and Farquhar, 1993; Lajtha and Michener, 1994)。我們可以藉由分析穩定性碳

3 同位素比值(13C)而得知植物所使用的光合作用途徑 (C3, C4 or CAM)，此方 法已是一標準化用以檢定植物光合作用途徑的方法。本研究長期目標在探討台 灣固有種植物光合作用之多樣性。因為台灣植物固有種很多，很難在短期內用 傳統方法研究其光合作用特性；故本研究利用穩定性同位素分析，初步進行 survey 台灣固有植物其光合作用途徑。 四、材料和方法 使用中央研究院標本館已有的標本植物，取用標本本身已脫落之植體。樣品經 研磨處理後，分析穩定性碳同位素比值。使用 continuous flow method 分析樣 品，此方法是將碳氮元素分析儀和質譜儀連線，利用 GCMS 原理直接將元素 分析儀(NA1500, Fison, Italy)氧化產生的 CO2 送入質譜儀(delta S, Finnagan, Germany)分析其穩定性碳同位素比值。此方法好處是可以快速地分析樣品。

五、結果和討論

穩定性碳同位素在生物學上的應用，起源於地質學家 H. Craig (1953, 1954) 發 現陸生植物其穩定性碳同位素有明顯不同，其中有一群植物其穩定性碳同位素 比值(13C)介於 -9 to –15 ‰，而另一群植物則介於-20 to –35 ‰間。繼 Hatch and Slack (1970)發現 C4 光合作用途徑後，Smith and Epstein (1971)提出陸生植 物其穩定性碳同位素之所以明顯不同，肇因於：當 CO2 進到光合細胞時，C3 和 C4 植物用不同光合酵素(RuBP carboxylase 或 PEP carboxylase)進行催化 初始 carboxylation。因 RuBP carboxylase 和 PEP carboxylase 對於13

CO2 有不同的歧視度(discrimination)，導致 C3 和 C4 植物其所合成之碳水化合物 具不同含量之 13C 和 12C。因 RuBP carboxylase 對於13 CO2 有較嚴重的歧視度， 所以 C3 植物其所合成之碳具較少 13C，即其有較負之13C 比值。應用這個原理， 我們可以藉由分析穩定性碳同位素比值(13C)而得知植物所使用的光合作用途 徑 (C3, C4 or CAM)，所進行的光合作用途徑。

4 已分析之固有種其穩定性碳同位素比值如表一所列。所分析的植物樣品其穩定 性碳同位素比值(13C)介於 -34.5 to –10.8 ‰，在 H. Craig (1953, 1954)所發現陸 生植物的碳同位素比值範圍內。樣品13C 值大致可分為三群：其中一群13C 值介於 -34.5 to –25.1 ‰，屬於 C3 植物範圍；另一群13C 值介於 -14.8 to –10.8 ‰，屬於 C4 植物範圍；有二蘭科固有種(Bulbophyllumalbociliatum and B. melanoglossum)其13C 值分別為-20.2， -21.6‰，應該是屬於 CAM 植物範圍。 六、參考文獻

Craig, H. (1953). The geochemistry of stable carbon isotopes. Geochim. Cosmochim Acta 3: 53d-92.

Craig. H. (1954). Carbon-13 in plants and the relationship between carbon-13 and Carbon-14 variation in nature. J. Geol. 62: 115-149.

Ehleringer, J. R., A.E. Hall and G.D. Farquhar. 1993. Stable Isotopes and Plant Carbon-Water Relations. Academic Press, Inc., San Diego.

Hsieh, C.-F. 2003. Composition, Endemism and Phytogeographical affinities of the Taiwan Flora. IN. Flora of Taiwan (T.-C. Huang eds). Vol. III, 1-14 pp. Lajtha, K. and R. H. Michener. 1994. Stable Isotopes in Ecology and Environmental

Science. Blackwell Sci. Pub.

Rundel, P.W., J.R. Ehleringer and K.A. Nagy. 1989. Stable Isotopes in Ecological Research. Springer-Verlag, New York.

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表一、台灣固有植物碳同位素比值

LabID Moncots Species Source [13C]

002 Aletris formosana 研 58957 -27.95 004 Disporum kawakamii 研 60079 -30.33 005 Disporum nantouense 研 81754 -34.52 006 Disporum shimadai 研 78182 -33.88 008 Helonias umbellata 研 82605 -32.76 009 Lilium formosanum 研 7655 -28.13 012 Tricyrtis formosana var. formosana 研 84615 -31.17 013 Tricyrtis formosana var. grandiflora 研 77397 -30.4 017 Tricyrtis suzukii 研 22519 -33.6 019 Veratrum formosanum 研 40309 -25.74 022 Dioscorea japonica 研 7702 -28.9 024 Heterosmilax japonica 研 77372 -32.76 028 Iris formosana 研 53068 -29.8 032 Belosynapsis kawakamii 研 7281 -28.85 033 Xyris formosana 研 18824 -29.72 034 Carex fulvorubescens 研 53907 -29.05 035 Carex liuii 研 7163 -29.72 036 Carex morii 研 87032 -11.6 042 Fimbristylis shimadana 研 83427 -11.34 048 Bromus formosanus 研 55867 -25.58 052 Poa sphondylodes 研 16524 -30.36 053 Poa takasagomontana 研 7824 -29.59 054 Poa tenuicula 研 55857 -28.72 059 Digitaria magna 研 65429 -11.43 062 Capillipedium kwashotensis 研 -10.96 064 Erianthus formosanus 研 304 -12.66 067 Microstegium geniculatum 研 24155 -13.11 068 Microstegium glaberrimum 研 56062 -11.78 070 Thaumastochloa chenii 研 18990 -10.76 071 Bambusa dolichoclada 研 55511 -29.14 072 Bambusa dolichoclada cv. "Stripe" 研 55391 -30.28 073 Bambusa dolichomerithalla 研 44927 -27.44 076 Bambusa pachinensis var. hirsutissima 研 55465 -29.89 077

Bambusa stenostachya cv. "Wei-Fang

6 078 Bambusa utilis 研 55514 -30.07 079 Phyllostachys lithophila 研 8115 -27.52 080 Phyllostachys makinoi 研 44922 -27.01 081 Pseudosasa usawai 研 55394 -30.47 083 Calamus formosanus 研 19645 -32.09 086 Amorphophallus henryi 研 55935 -28.96 087 Amorphophallus hirtus 研 48051 -27.03 088 Arisaema formosanum 研 16064 -30.45 089 Arisaema grapsospadix 研 75637 -33.19 094 Arisaema taiwanense var. brevipedunculatum 研 29758 -33.5 096 Colocasia formosana 研 54501 -31.23 097 Epipremnum formosanum 研 59064 -30.33 100 Alpinia kusshakuensis 研 27496 -29.22 101 Alpinia mesanthera 研 27844 -30.4 102 Alpinia pricei var.pricei 研 64230 -28.99 103 Alpinia pricei var.sessiliflora 研 28082 -28.08 104 Alpinia shimadae var. shimadae 研 28087 -28.77 105 Alpinia shimadae var. kawakamii 研 27853 -31.34 106 Alpinia tonrokuensis 研 27492 -28.36 107 Alpinia uraiensis 研 16048 -31.25 109 Zingiber kawagoii 研 22035 -29.04 112 Anoectochilus formosanus 研 23122 -33.38 113 Anoectochilus koshunensis 研 14646 -33.84 114 Appendicula terrestris 研 43214 -29.68 116 Bulbophyllum albociliatum 研 64234 -20.2 118 Bulbophullum melanoglossum 研 69786 -21.64 124 Calanthe arisanensis 研 9575 -28.48 125 Cephalanthera alpicola 研 26568 -26.84 134 Dendrobium leptocladum 研 62902 -25.19 136 Epigeneium nakaharaei 研 70556 -29.47 138 Flickingeria tairukounia 研 8531 -30.47 140 Gastrochilus fuscopunctatus 研 31367 -12.56 150 Goodyera daibuzanensis 研 17056 -26.2 152 Goodyera seikomontana 研 13337 -32.72 157 Hylophila nipponica 研 20226 -32.13 162 Liparis nakaharai 研 83850 -31.24 164 Liparis sootenzanensis 研 9583 -30.81

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174 Myrmechis drymoglossifolia 研 35901 -34.4 182 Platanthera mandarinorum subsp. pachyglossa 研 47584 -29.44 183 Platanthera stenoglossa 研 41491 -31.06 186 Ponerorchis taiwanensis 研 70872 -14.84 189 Taeniophyllum complanatum 研 35731 -14.84 190 Thrixspermum saruwatarii 研 31380 -13.25

192 Tulotis devolii 研 7596 -31

LabID Dicots Specise No. [13C]

498 Acalypha akoensis 研 22638 -26.74 499 Acalypha hontauyuensis 研 77075 -27.45 501 Acalypha matudai 研 56491 -30.1 502 Acalypha suirenbiensis 研 56539 -30.09 503 Antidesma hiiranense 研 59315 -32.31 504 Chamaesyce garanbiensis 研 22563 -12.72 505 Chamaesyce hsinchuensis 研 69709 -13.16 506 Chamaesyce taihsiensis 研 51818 -13.63 507 Chamaesyce tashiror 研 51372 -12.55 508 Drypetes karapinensis 研 75270 -28.9 509 Euphorbia formosana 研 79235 -27.7 510 Euphorbia shouanensis 研 59248 -28.63 511 Euphorbia tarokoensis 研 59250 -28.13 512 Excoecaria kawakamii 研 63541 -26.18 513 Gelonium aequoreum 研 21783 -28.07 514 Liodendron formosanum 研 67150 -29.04 515 Mallotus paniculatus var. formosanus 研 3295 -25.08 516 Phyllanthus oligospermus 研 70753 -29.46