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棉絮紛飛:藏在木棉基因體中的科學奧秘

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每到畢業季,總可以看到橘紅色的木棉花,讓夏日的街道更加繽紛熱情。木棉(Bombax ceiba L.),又稱為紅棉樹、英雄樹、攀枝花,日前科學家完成它的全基因體定序,並發表於學術期刊《GigaScience》。每年春季是木棉花盛開的季節,以鮮豔橙紅的花朵和隨風飄散的種子棉絮聞名,為台灣高雄市以及中國廣州市的市花,木棉也深具經濟價值,是重要的纖維與木材原料,其花朵與根莖也是重要的藥材與食材。基因體資訊的公開將幫助科學家進一步了解木棉的特性及它如何適應乾燥的生長環境。

矗立在人行道旁、公園中的紅棉樹(Bombax ceiba L.),在春季將街道染成熱情的橘紅,象徵春暖花開時節的到來,深得人們喜愛並被遴選為高雄市花。木棉樹最高可以生長至 40 公尺,除了有豪放亮麗的外觀,木棉的花果根莖也有許多用途,例如其果實成熟後會裂開,釋出種子與果皮內壁延伸形成的白色棉絮,可作為枕頭或床墊的填充物,花朵乾燥後可以泡茶或熬湯食用,根莖部位更可作為中藥材。儘管木棉被廣泛種植於濕熱的中國南方地區,不過長江上游的乾熱地帶有一座城市以此植物命名,反應出木棉的原生環境及其對乾旱高溫的耐受性。

由中國曲靖師範學院(Qujing Normal University)的唐利洲教授以及西南林業大學(Southwest Forestry University) 的田斌教授所帶領的研究團隊日前完成木棉的基因體定序,結果顯示木棉的全基因體帶有 8.95 億鹼基,並含有大約 52,000 個基因。

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唐教授分享研究過程中遇到的挑戰:「木棉基因體的異質性(heterozygosity)使得基因重組的難度增加,不過,我們運用第三代定序(Third Generation Sequencing)技術組裝其基因體,並得到相對完整的結果。」

進行基因定序時,科學家無法直接讀取整段染色體的所有基因,而需要將染色體分為小片段分別定序,再由生物資訊學家將眾多小片段 DNA 序列拼湊,最後還原全基因體序列。 幾年前,短讀取定序(short read sequencing)是序列分析的主流技術,這項技術合乎成本效益,又可達到定序目的,但是卻有一項缺點,就是:短讀取可分析的單一染色體片段相當小,往往不超過數百個 DNA 字母,造成組裝基因時,片段與片段之間的間隙使重組過程不易。近年來發展出單分子即時定序(single molecule real time sequencing,SMRT)技術,SMRT 單次可連續分析的染色體片段較長,科學家利用 SMRT 作為輔助的定序工具,彌補短讀取的不足,減少片段與片段之間的空缺,得出高品質的全基因體序列,取得連續序列片段(contig)為 1.0 Mb 鹼基對,以及連續序列片段之拼裝(scaffold)大小為 2.06 Mb 鹼基對,達到 N50 的全基因體組裝標準。

為了提升基因序列品質,增進基因體資訊的使用效益,研究團隊將木棉的全基因體定序結果結合光學圖譜(optical mapping)技術,將不同長度的 DNA 片段以不同螢光染色標記,再以螢光顯微鏡將不同長度的片段進行分類,得出染色體片段的光學圖譜。過去,其他科學家試圖將光學圖譜應用於其他動、植物的基因體定序,經過許多前人的嘗試與經驗,今日光學圖譜幫助此研究團隊分析出高品質的木棉全基因體。

「未來我們計畫將此基因體定序結果,應用於木棉的培植計畫。」唐教授進一步說明,基因體資料將幫助科學家探討木棉如何適應乾燥的原生環境,而該團隊也已初步鑑別出可能的相關基因。

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參考文獻:
Gao, Y et al. (2018): De novo genome assembly of the red silk cotton tree (Bombax ceiba). GigaScience. doi.org/10.1093/gigascience/giy051

首圖來源:GigaScience

基因體資料來自 GigaDB 資料庫、美國國家生物技術資訊中心(NCBI,Bioproject ID
PRJNA429932)以及 GigaScience 公開權限之文章。

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