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主題研究

    • 計畫名稱:

      刺細胞動物細胞、分子生物、生理與生化研究

    • 研究人員:

      陳啟祥(計劃主持人)李幸慧王立雪彭紹恩林家興

    • 子計畫:

      • 1.珊瑚與渦鞭毛藻共生現象之細胞與分子生物學 (陳啟祥)
      • 2.以多維體學探討恆春半島中光層珊瑚 (王立雪)
      • 3.以海葵為模式生物研究珊瑚胞內共生之細胞及分子調控機轉_ 基礎研究及科普轉化 (彭紹恩)
      • 4.探討軟珊瑚與渦鞭毛藻的胞內共生機制 (李幸慧)
      • 5.珊瑚冷凍保存研究 (林家興)

    • 計劃說明:

      有光合作用能力之共生藻與海洋刺絲胞動物如海葵、珊瑚間的胞內共生現象,是維繫珊瑚礁生態系之高物種歧異度及高生產力的主因。共生藻是經由胞噬作用進入宿主細胞,經由一連串的辨識過程,進而形成穩定的胞內共生現象。海洋刺絲胞動物及共生藻細胞間具有物質交換系統,能將共生藻的光合作用產物如甘油及葡萄糖運送給宿主細胞使用,而宿主細胞則將呼吸作用及含氮代謝廢物等供給共生藻做為養分。當環境發生劇烈變化如溫度的驟升或驟降、水質酸化或濁度增加以及人為的破壞均會影響共生現象,造成珊瑚的白化、死亡,進而影響珊瑚礁生態系的平衡。本研究團隊利用分子細胞學、蛋白質體學、質譜學及顯微影像學等來研究細胞膜蛋白質、脂質循環、胞器分布、細胞分裂、光合作用及相關分子結構在胞內共生現象中之調控,並針對此一複雜之動植物間的交互作用進行深入研究,以期有系統地了解胞內共生之機轉,使此方面的研究深入分子層面並臻於世界領導地位。除此之外,進一步藉此開發海洋生物免疫學、代謝體學及細胞學等方面的重要研究領域,並提供教學訓練的機會,期有助於海洋生物細胞學及醫學研究的前瞻進展暨人才培育。並且探討低溫冷凍保存對於珊瑚生殖及遺傳細胞的影響,同時探討對於其粒線體所造成的傷害、脂質的變化及對於抗凍劑的滲透性之相關性研究,希望針對珊瑚生殖及遺傳細胞運用高科技的冷凍保存技術來保存海洋生態資源,並提供有系統及未來實質的珊瑚復育成效。

    • 計畫內容:

      子計畫

      壹、以多維體學探討恆春半島中光層珊瑚 - 王立雪
      一、計畫緣起
      由於工業的快速發展,造成全球氣候變遷的加速,而除了均溫的上升,極端氣候的出現更是層出不窮,除了海水水溫的增加,另外溫室氣體的排放,加遽了海水的酸化,全世界的珊瑚礁面臨了前所未見的威脅,大規模白化現象在加勒比海、澳洲大堡礁等地區多次被觀察到,而台灣地區也因為溫排水、人為活動密集、低溫造成墾丁、綠島、澎湖甚至東沙環礁等地區的珊瑚大規模白化現象。在全球氣候變遷日益嚴重之際,位於淺水域的珊瑚礁對此環境變化尤其敏感,據研究指出,全世界的主要珊瑚礁區包括澳洲大堡礁、加勒比海等海域珊瑚生長情形均明顯惡化,珊瑚覆蓋率都呈現下降現象,因此,珊瑚礁生態系的保護已成為全球海洋生物學家最關切的研究議題之一。而具有光合作用能力的共生藻與海洋刺絲胞動物如海葵、珊瑚間的胞內共生現象,是維繫珊瑚礁生態系高物種歧異度及高生產力的主因,因此共生藻與海洋刺絲胞動物間的胞內共生現象機制如何受環境因子的影響及其恢復力(resilience),更是研究的熱點。
      珊瑚礁是熱帶和亞熱帶海域非常重要且獨特的生態系,具有豐富的生物多樣性、高的生物量和生產力、旺盛的造礁活動、複雜的棲地結構等特性,經常被比喻為海洋中的熱帶雨林。本館近年來的研究資源也大量亦溢注於相關研究上,以珊瑚為主,推動多項主題研究計畫。
      位於淺水域的珊瑚礁由於易受水溫、濁度及人為活動影響,發生白化或疾病現象,世界上研究學者發現生活在中光層水域的珊瑚礁(mesophotic coral reefs, MCEs),可能提供淺水區珊瑚礁的避難所而日漸受到重視。中光層水域的深海珊瑚礁是指溫暖的水域從>30米水深至最多到150米水深的透光區底部的珊瑚礁群聚,物種豐富度主要是從淺水區的延伸,包含了珊瑚、海綿跟藻類。跟淺水區的珊瑚礁生態系不同,中光層水域的珊瑚礁受限於技術而在過去瞭解不多。世界上相關研究其地理分佈主要是加勒比海附近,包含牙買加北部、巴哈馬、墨西哥灣北部及波多黎各,相對而言印度太平洋地區的相關研究極少,主要研究都是在紅海附近及夏威夷群島。
      恆春半島附近海域具有高物種豐富度淺水區珊瑚礁,但也因為人為活動及核三廠溫排水造成局部或大規模的珊瑚白化現象。而恆春半島地理位置特殊,三面臨海,東面太平洋,南瀕巴士海峽,西臨台灣海峽,西南邊緊鄰中國南海。海底地形上有向南延伸的恆春海脊向兩側延伸,水深超過千米,而南灣內有類似海底峽谷地形,水深約7、80米,此一驟升地形造成著名的湧升流,使得墾丁海域珊瑚礁在近年雖然面對環境變遷造成的海水溫度上升仍得以維持。而西面為高屏陸棚,水深約為100米附近,而向外延伸至高屏峽谷則水深為3000米。因此恆春半島附近海域極具發展深海珊瑚礁相關研究的潛力。
      另外,配合本館106~109年度推動之大博物館計畫,希望推動深海直播及特展。本計畫擬收集更多中光層珊瑚與淺水域珊瑚的生理、生化指標的差異。

      二、目標與執行
      (一)、目標
      利用技術潛水進行珊瑚採樣,分析珊瑚組織型態、代謝體學及基因體學,以深入了解中光層珊瑚礁生態系與淺海珊瑚礁生態系的異同。
      (二)、執行方式
      1.恆春半島附近海域小尺度以水下無人遙控載具進行水下探勘攝影調查,以瞭解適合進行深入研究的地點與目標物種。
      2.分夏季與冬季利用技術潛水進行中光層及潛水域珊瑚採樣,分析珊瑚的脂質體、基因體、蛋白質體在表孔珊瑚、柔指珊瑚及肉質珊瑚的差異。並比較恆春半島不同採樣點的水文資料作為分析的依據。

      貳、以海葵為模式生物研究珊瑚胞內共生之細胞及分子調控機轉_ 基礎研究及科普轉化 - 彭紹恩
      一、計畫緣起
      本計畫係著眼於海生館所規劃,將以珊瑚及珊瑚礁為特色,藉由發展"海洋教育科學研究園區"服務計畫,使海生館成為世界一流的海洋研究中心暨海洋科普教育平台的願景。
      為使本館的珊瑚生物學研究,尤其是珊瑚胞內共生現象的細胞及分子生物學研究不斷精進,本計畫將利用新興模式生物"海葵"持續進行深入研究,藉以加速在專業領域上的突破,同時擬將此模式生物系統應用於珊瑚細胞學及分子生物學的研發過程及成果,轉換為科普教育,設計為海洋科學體驗營之課程之一,提供國高中及大專學生前來實際操作、體驗生命科學的研究歷程,學習科學儀器的操作,並藉以吸引未來人才的加入,永續發展。

      二、目標與執行
      (一)、目標
      本計畫將以「精進基礎研究」及「轉化為科普教育」為重點,執行目標簡述如下:
      1.「精進基礎研究」- 將以海葵及其共生藻為模式生物系統,以基因體學及代謝體學方法等探究海葵與共生藻建立共生過程及建立共生後的細胞代謝調控機轉,以期能解析出海葵如何辨識共生藻的機轉,以及寄主與共生體間的代謝適應之調控機轉。
      2.「轉化為科普教育」-將以"白化"的模式生物海葵及不同品系的共生藻為題材,設計4-5天左右實驗,讓參與學員觀察珊瑚研究的白老鼠"海葵"是如何挑選辨識共生藻並建立共生現象,讓學員體驗從事科學研究的提問、假設、實驗設計、執行及數據分析整理與簡報等歷程,培養未來人才。
      (二)、執行方式
      1.「精進基礎研究」- 將以目前實驗室所發展的基礎,包括海葵與共生藻之感染試驗系統、蛋白質體分析技術、轉錄質體序列資料庫、細胞暨分子生物技術以及代謝體學相關資源為基礎,分析篩選出海葵與共生藻建立共生過程及細胞代謝調控過程中,關鍵時期的標的基因或蛋白質分子,並進一步分析其表現量的變化與可能扮演的功能。
      2.「轉化為科普教育」-將設計為期4-5天左右的海洋科學體驗營活動,除了準備珊瑚生物學及珊瑚共生現象相關的基礎演講課程外,將訓練學員照顧實驗海葵、孵化豐年蝦及餵食、培養缸換水及清潔、共生藻之無菌培養、使用無菌操作台、進行海葵與共生藻的感染試驗、操作螢光顯微鏡觀察海葵與共生藻、細胞螢光染色及觀察、細胞影像擷取及分析、DNA萃取及電泳分析、實驗記錄、數據整理分析及撰寫報告、討論與成果簡報,使學員成為珊瑚共生現象研究的體驗者及小小專家。

      參、探討軟珊瑚與渦鞭毛藻的胞內共生機制 - 李幸慧
      一、計畫緣起
      過去軟珊瑚被認為不具有造礁能力,因此在珊瑚礁生態系中的角色總是被忽略,似乎不如石珊瑚來的重要。然而2011年,台灣的研究人員證實指形軟珊瑚Sinularia具有膠結其體內的游離骨針,並將之形成堅固骨針岩礁石的能力,推翻了軟珊瑚沒有造礁能力的說法,也因此軟珊瑚在珊瑚礁生態系所扮演的角色重新被檢視。
      再者,由於館內未來將要發展中光照度的珊瑚礁計畫,根據今年奧秘研討會上(105年9/21-22)陳昭倫教授的研究發現,在綠島的中光照度珊瑚礁分佈以軟珊瑚為主,其次是海藻,然後才是石珊瑚。中光層照度的珊瑚礁是本館未來著重的重點研究之一,但是在本館的共生研究多以石珊瑚與海葵作為模式物種,我們對軟珊瑚的共生關係瞭解非常少。究竟軟珊瑚與渦鞭毛藻的共生關係是否重要,渦鞭毛藻與軟珊瑚共生的機制與石珊瑚是否相同,我們期望藉由此研究計畫幫助我們對於軟珊瑚與渦鞭毛藻的共生關係有更深刻的瞭解,也希望能提供一些有用的參考資料幫助館內未來進行中光照度的珊瑚礁計畫。

      二、目標與執行
      (一)、目標
      1.探討軟珊瑚是否能在缺乏渦鞭毛藻的情況下,依賴自營作用存活,用來探討共生關係對於軟珊瑚是否是必需的。
      2.嘗試分離三種軟珊瑚共生的內胚層細胞,並分析此種細胞的特性與石珊瑚是否異同。

      (二)、執行方式
      利用館內目前大量養殖的三種軟珊瑚柔軟指形軟珊瑚(Sinularia flexibilis)、沙島指形軟珊瑚(Sinularia sandensis)、花環肉質軟珊瑚(Sarcophyton trocheliophorum)做為研究材料,可減少野外採集珊瑚的數量。
      1.目前已經有文獻報導,利用薄荷醇讓石珊瑚與海葵白化,我們希望也可以利用相同的方式讓軟珊瑚白化,並觀察軟珊瑚在完全白化的狀態下是否可以依賴自營存活。
      2.嘗試分離這三種軟珊瑚共生的內胚層細胞(symbiotic gastrodermis cells, 簡稱SGCs),並分析此種細胞的特性與石珊瑚是否異同。包含穿透式電子顯微鏡觀察細胞超微構造是否有特殊性、SGCs的數量、SGCs中共生藻的數目的多寡、共SGCs的密度分佈、SGCs中脂質體的數目與脂質總含量、SGCs的游動能力、與SGCs對於光照的敏感度等特性。

      肆、珊瑚冷凍保存研究 - 林家興
      一、計畫緣起
      在過去的二十年,由於人為因素及地球氣候變化導致了全球海洋生態系統的破壞及衰退。在1998、2010、2015年發生了三大珊瑚礁白化事件对珊瑚礁有極大的影響,例如減少珊瑚多樣性以及消退大部分珊瑚礁的珊瑚覆蓋面積。隨著海洋破壞認知的增長,除了增加各種環境組織並設立的海洋保護區域、法律條規和公約以及珊瑚復原計劃等,珊瑚礁的冷凍保育計劃也是必不可少的。迄今,海洋生物博物館 (NMMBA) 已進行了一部分的冷凍保存研究並且本實驗室對各種珊瑚種類的基本生理學和低溫物理學有深奧的了解並具有數年的實驗經驗(Tsai et al., 2016a)。另外,本實驗室也曾設計一系列實驗來探討冷凍保存過程的快速溫度下降對於珊瑚亞細胞等級(例如,分子實驗,Tsai et al., 2015)、細胞等級(例如,顯微實驗,Tsai et al., 2016)以及整体卵母細胞/配子和共生藻(Chong et al., 2016)的反應。此實驗程序規模和相關數據讓我們理解低溫保存過程對珊瑚細胞結構發生的影響。

      二、目標與執行
      (一)、目標:發展珊瑚卵母細胞冷凍保存技術
      (二)、執行方式
      柳珊瑚(Junceella juncea 或 Junceella fragilis)是低溫冷凍保存研究的優良模範品種。雖然這珊瑚在台灣南部野外場地繁多,可是由於人類活動引起的環境變化,如全球氣候變化和水質惡化,而受到威脅。因此,它將是優先保護性高的珊瑚品種。
      珊瑚卵母細胞將在2017四至七月份(繁殖季節)從台灣海岸墾丁國家公園進行採集。本實驗柳珊瑚採集許可證已經從墾丁國家公園獲得。採集後,珊瑚卵母細胞將運送至NMMBA珊瑚養殖中心並使用NMMBA先前研發方式分離卵母細胞(Tsai et al., 2015)。珊瑚採集證由台灣墾丁國家公園管理處授予。
      我們將使用先前測驗過最佳抗凍保護劑來進行本研究,並也確保使用符合卵母細胞的抗凍劑濃度來進行處理。我們將會探討一系列冷凍步驟的條件並選出最佳冷凍步驟,而這包括最佳冷卻速度、冰播種溫度、最佳切入液氮溫度、最佳解凍方法與溫度和解凍速率。我們會應用不同發育階段的珊瑚卵母細胞來進測試並找出最佳冷凍條件。本研究將使用先前研究中確認對卵母細胞有良好效果的抗凍劑來配置玻璃化溶液(抗凍劑混合物)。在卵母細胞冷凍前,我們會確保玻璃化溶液的毒性與玻璃化能力,然後利用塑料管和玻璃化配備來進行此實驗。卵母細胞玻璃化冷凍解凍評估。

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      1. 刺細胞動物細胞、分子生物、生理與生化研究
      2. 刺細胞動物細胞、分子生物、生理與生化研究