臺灣隱藏版的蕨類植物－獨立配子體物種
在東亞物種豐富度最高的島嶼上，整合最新的TPG名錄－臺灣的蕨類植物已突破820種，而這個數字也正在逐年刷新。其中最特別的新發現就是一群獨立配子體的蕨類物種，這群蕨類植物不具備陸生植物典型生活史中的雙世代交替，沒有所謂根莖葉的孢子體世代、僅發現配子體(或稱原葉體)世代的獨特物種。這些個體由單層細胞組成，簡化的構造呈帶狀或絲狀的生長樣貌，棲息在光線微弱的環境之中，且常利用另一種精緻的構造－芽孢來進行繁衍、擴張族群，“無性”是他們現今已知唯一的生存方式。也因為個體相當微小、不引人注目，獨立配子體物種不意外地成為最晚被發現的蕨類多樣性，也是目前植物學家們最不了解的一群，即便這樣的案例已在半個世紀之前最早在溫帶地區被報導。隨著DNA分子技術開發以及生命條碼資料的普及，主要克服蕨類野外配子體“傳統上”的鑑定困難，讓在熱帶或亞熱帶蕨類多樣性極豐富的地區能精準地確認獨立配子體案例，用DNA證據可以來排除已被紀錄的“孢子體”蕨類物種。
首次在溫帶以外地區確認的獨立配子體蕨類物種就在臺灣，隨著逐年地探索有更多的案例被發現。以蘿蔓藤蕨屬為例，臺灣島上我們目前發現三個物種的獨立配子體族群，但只有一物種－牟氏羅蔓藤蕨有產生孕性孢子的紀錄，但就僅有一筆採集在單一個族群發現，然而獨立配子體族群從南到北已發現近20個，並且在族群內常能同時發現其他蘿蔓藤蕨物種的獨立配子體個體。同時這些有趣發現引領我們從演化與生態適應的角度深思各層次的生物學問題：(1).熱帶或亞熱帶地區的獨立配子體物種是否經歷截然不同的演化歷史？因為溫帶大陸地區的案例並不雷同，難以用孢子體因冰河期導致滅絕的演化假說來解釋。(2).在這個島嶼上的獨立配子體物種的起源在哪？到底“無性”生存了多久？(3).是那些遺傳或是環境因素導致他們無法完成有性生活史的世代交替？(4).這些蕨類物種真的走入演化的死胡同嗎？結合最新的分子生態學與親緣基因體學的策略，我們將重返這些過去半個世紀還沒有答案的問題！
地下蕨類配子體的邂逅是否搞錯了什麼
“地上”蕨類配子體多數就如植物學教科書裡面典型案例，綠色能行光合作用且獨立自由生活，透過水作為媒介來完成異交－不同個體間的精卵結合，因為生活史相對短暫，為了有效率地達成異交、透過水中的費洛蒙傳遞訊息，這種蕨類配子體間的神祕費洛蒙在各個類群成分可能甚至功能上都有所差異，但都統稱為促精素，會由發育良好、成熟具備藏卵器的雌配子體釋放，刺激埋在土壤中的孢子“個體”在不需光線的情況下就能萌發成雄配子體，促進藏精器生成並釋出精子。目前的研究結果都指向促精素主要成分為吉貝素類的化合物(但各蕨類類群具備的主成分化學結構仍些許不同)，除此效果很可能會受到另一激素－離層素的抑制。
“地下”配子體的莎草蕨科則是另一群生活史神秘的蕨類，他們的配子體是非綠色、真菌異營的，“光”是不需要去自營行光合作用，從這點就讓蕨類學家很難以想像他們在黑暗環境的土壤中是如何生存與互動，是否還保有促精素系統來進行訊息傳遞 、促進孢子萌發、性狀調控？如何完成異交？除此，共生的真菌可能還扮演生活史中不可或缺的橋樑，需要同時進行研究。為了解開莎草蕨科的地下配子體之謎，他們演化伴隨那些配子體生活史機制上的改變，莎草蕨目的各類群成員成為我們非常有興趣探討的對象，特別是莎草蕨科是否如莎草蕨目的地上配子體近親－海金沙科與穗花蕨科－具備類似的促精素系統與調控機制，是我們研究第一步想確認的。
關於蕨類產生孢子那檔事
生產孢子時機、數量、輔助散播的構造以及整體的投資，關係著不同蕨類的生存策略。大型的物種如樹蕨類能一年產生出數十億顆孢子，就單個體能產生後代數量來說是植物中的王者，而小型蕨類就則呈現另一個極端，不到這個數量的萬分之一。不過就考量生殖構造上的投資占比(即除以營養構造的投資)，何者具備相對的優勢目前仍無定論，需從更進一步的活史研究拿到切確的數據來推斷。雖然不具備大型蕨類的身高與孢子數量上的優勢，值得注意的是許多小型的蕨類(可能)因此演化出一種利於孢子散播的輔助構造－專司繁殖功能的孕性葉(或稱孢子葉)，這樣物種又稱兩型葉蕨類。相較於專司營養功能的非孕性葉(或稱營養葉)，這些物種生產孢子的孕性葉外觀或內在都有所不同：(1).透過增加葉柄長度與其垂直角度來提“高”傳播優勢，(2).葉片面積同時大幅縮減讓孢子囊更容易接觸氣流，(3).葉片壽命縮減–暗示高比例的養分集中投資在孢子(囊)而非葉片的支撐構造。相較之下，單型葉的蕨類為現今多數(~90%物種)且被認為是祖徵，他們孕性葉或非孕性葉都是相似的葉片外觀，即不具備上述兩型物種之孕性葉特化。除此小型、兩型葉的蕨類是否也特化出更精準的繁殖物候，讓生產與釋放孢子的時機更為集中也值得進一步物候學的研究。
蕨類生殖投資策略的研究對了解他們生活史演化相當關鍵，但目前仍相當缺乏，同時兩型葉的演化非常可能也參與其中。基於這些出發點，我們先從蕨類產生孢子的生活史階段進行葉片物候學的基礎研究，從不同葉子的年生產量可以進一步推算大型vs.小型，同型葉vs.兩型葉蕨類他們投資在生殖構造上的投資與權衡，我們目前也從三叉蕨屬多次平行演化的研究案例，希望從親緣分析的策略來探討這些生殖投資與生活史特徵之間的關聯。後續也將更有機會從解剖構造、演化發育與基因表達的層面來深入探討兩型葉的現象－孢子囊生產的調控與孕性葉的特化。
蕨類基因組那麼大 支持經費那麼少
在植物中多倍體化是一個普遍的現象，這樣整套的染色體/基因組的倍化是他們重要的演化機制。蕨類植物就是這條演化路徑的極致－擁有現生植物中最高的染色體數量與最龐大的基因組，然而卻是現今基因體學時代中最陌生的植物類群。能更清楚蕨類植物如何從300多百萬年前演化至今能維持這樣多樣且複雜的遺傳組成，或許更助於開啟多倍體物種的經濟作物遺在傳改良的新策略，讓改良性狀更持久與穩定。然而現實上，因為蕨類植物的經濟價值少被突顯，面對如此龐大的基因組，能獲得投資在全基因體解序的經費則明顯不足。也因此我們採用兩個不同的研究策略來邁進、瞭解蕨類基因組的演化：(1).先從基因組較小的蕨類物種完成全基因組定序，以及進行他們的比較基因體學，進而瞭解遺傳因子在漫長的演化時間尺度上如何變動與保留。所以從2010s開始，對蕨類各類群基因組大小的初探，選定物種與研究材料，最終我們希望釐清蕨類的龐大基因組內部實際都“藏”了甚麼樣的遺傳因子。(2).另一方面，我們想知道那些類別的遺傳因子最可能主導蕨類基因組大小的演化，特別是在經歷多倍體化事件之後。所以我們針對特定的類群，特別是具備龐大基因組的瓶爾小草科蕨類，想知道遺傳因子中重複序列與非重複序列的占比，以及他們在基因組大小演化上的貢獻，在各類別的重複序列中我們又特別關注能自行複製的長末端重複序列(LTR)，進而檢測他們的活躍程度與蕨類基因組大小間的關係。