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【公關組】興大團隊揭開秋海棠葉片虹光色彩的奧密

更新時間:2018-03-13 13:24:30 / 張貼時間:2018-03-13 13:18:27
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單位秘書室
新聞來源秘書室媒體公關組
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自然界裡繽紛絢麗的虹光色彩,例如孔雀的尾羽和閃蝶的翅膀,是一種物理色。它會隨者觀察者視角的不同而有顏色深淺的變化,稱為虹光 (iridescence)。植物界中也有虹光現象嗎?相較於動物,植物的虹光現象極少被注意到,相關研究也很少。中興大學研究團隊與中央研究院生物多樣性中心的彭鏡毅研究員(退休)合作,藉由彭博士在全世界採集而得珍貴的秋海棠植物做研究,證實了秋海棠植物葉片虹光的成因與其表皮細胞中特殊的「層狀體」 (lamelloplast) 的層狀間距有關,另也發現了「迷你葉綠體」 (minichloroplast),此項新穎的研究成果本(3)月發表在《植物學研究期刊》(Journal of Plant Research)。

中興大學生命科學系許秋容教授表示,早在多年前國外學者即在孔雀秋海棠 (Begonia pavonina) 的表皮細胞中發現了此特殊葉綠體,並認為因本結構產生虹光而命名為「虹光體」(iridoplast)。但是,她發現數種秋海棠具有虹光體但並不表現虹光,因而好奇投入研究。在該團隊近六年的努力下,終於揭開秋海棠植物虹光現象的成因。

興大博士生包尚弘研究40種秋海棠植物的葉片結構,觀察到23種具有虹光體,但其中僅9種表現虹光。經比較分析發現,當此層狀結構的多層膜間距明顯較窄時 (約小於90奈米),入射的光線經光學干擾效應等反射在藍—綠波段,葉片才會顯現虹光。該團隊也以反射光觀察層狀體,並利用光譜儀測量葉片和細胞層級的反射光譜,證實具有窄間距的層狀體才會顯現虹光。因為虹光體一詞的使用含有功能性的預先判斷容易誤導,所以該團隊建議依結構特性命名,改稱此構造為「層狀體」。

興大碩士生蔡秉芸另以遮陰試驗得知,層狀體多層膜的間距會因植物生長在較陰暗的環境下而較窄,進而表現出更明顯的藍色虹光。此林下陰性植物獨特的虹光現象或許有生存適應的意義,但仍缺乏實驗的證據。目前並不清楚秋海棠植物為何會演化出層狀體的構造,或許與本群植物多生長適應於林下有關。在本科中原始的夏威夷秋海棠也具有層狀體,可知本構造在秋海棠科的演化早期即已出現。

有趣的是本研究意外地發現了迷你葉綠體。一般而言,葉的表皮細胞並無具功能性的葉綠體。但在秋海棠植物葉片的上表皮細胞中不是具有層狀體,即是具有迷你葉綠體 (兩種不會同時存在);而其下表皮細胞中卻均以迷你葉綠體出現。雖然層狀體和迷你葉綠體也有光合作用能力,但均顯著低於葉肉中的葉綠體。

許秋容教授感謝團隊成員的努力,特別追念英年早逝的蔡奇助博士 (高雄區農業改良場)。此為跨領域的合作,研究者包括台灣大學昆蟲學系楊恩誠教授及學生陳姵如、中興大學物理學系施明智副教授、永續能源與奈米科技研究中心陳建宇博士、生物化學研究所楊俊逸副教授和美國亞歷桑那大學Peter Chesson教授。生物物理光學具有仿生科技的潛能,該團隊期許此新穎的發現可以啓發更多相關的研究。

文章連結: S. H. Pao, P. Y. Tsai, C. I Peng, P. J. Chen, C. C. Tsai, E. C. Yang, M. C. Shih, J. Chen, J. Y. Yang, P. Chesson and C. R. Sheue. 2018. Lamelloplasts and Minichloroplasts in Begoniaceae: Iridescence and Photosynthetic Functioning. Journal of Plant Research (on line) (doi: 10.1007/s10265-018-1020-2)
鹿寨秋海棠生育地照,攝於廣西。圖:彭鏡毅老師攝

鹿寨秋海棠生育地照,攝於廣西。圖:彭鏡毅老師攝

具繽紛絢麗虹光色彩的秋海棠葉片。圖:許秋容教授提供

具繽紛絢麗虹光色彩的秋海棠葉片。圖:許秋容教授提供

秋海棠葉片顏色與上表皮細胞中特殊葉綠體的關係。當一秋海棠植物具有 層狀體且其多層膜間距較窄時 (約小於90 奈米),葉片才會顯現虹光;否則葉子只呈綠色。圖:許秋容教授提供

秋海棠葉片顏色與上表皮細胞中特殊葉綠體的關係。當一秋海棠植物具有 層狀體且其多層膜間距較窄時 (約小於90 奈米),葉片才會顯現虹光;否則葉子只呈綠色。圖:許秋容教授提供

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