在大學植物學課堂中，我們常學到：不同植物的基因體大小（genome size, GS）差異非常大，有些植物的 DNA 僅有一點點，有些卻擁有巨量的基因體內容。但你是否想過——這個「大小」，除了影響細胞大小、分裂速率、代謝需求，是否也會影響植物在自然生態系中能不能搶到資源、長得快、甚至變成優勢物種？
最近，一篇發表在 PLOS Biology 的研究整合了來自北半球 27 個草原地點的大型肥料實驗，試圖回答這個問題。他們觀察「基因體大小是否影響植物對氮（N）和磷（P）施肥的反應」，並且進一步問：這種影響是否普遍存在於不同氣候、物種組合與功能類群中。
被子植物的基因體有多誇張？在開始前先複習一個驚人的事實：被子植物的基因體大小可以差超過 2400 倍！如最小的狸藻科的 Genlisea aurea，僅約 0.06 pg（1C 值，單套未複製基因體的DNA含量）；而最大的百合科的 Paris japonica，高達 148.9 pg。
這些差異，不只有反映 DNA 含量，也會影響植物的細胞大小、細胞分裂速率與生理需求。
什麼是 cwGS？
在這項研究中，研究團隊特別關注「社群加權基因體大小」（cover-weighted genome size, cwGS）。這是什麼呢？
我們知道，一塊草原上有許多植物，但不是每一種都佔一樣多空間。有些植物只零星分布，有些則整片區域隨處可見。因此，研究團隊用「覆蓋率」來加權每一種植物的基因體大小，以反映在該區塊中，整體社群的「功能性基因體大小」。
舉例來說，若某個區域中：
- A 植物佔 60%，GS = 2 pg
- B 植物佔 30%，GS = 4 pg
- C 植物佔 10%，GS = 10 pg
那麼 cwGS 為：
cwGS = (0.6 x 2) + (0.3 x 4) + (0.1 x 10) = 3.4 pg
如果沒有用覆蓋率做加權，純粹只把三者平均，結果會是 5.3 pg，大GS植物的重要性就被高估了。這就像我們計算收入，如果用平均薪資，收入特別高的人的供獻就會被高估是一樣的。因此，cwGS 是一個用來評估社群整體基因體構成的合理指標。
他們怎麼做？
研究團隊使用了「Nutrient Network（NutNet）」的全球協作資料，包括來自 27 個草原地點、超過 469 種植物的基因體大小（來自資料庫或實地採樣）與覆蓋率。
然後，他們在每個地點都進行四種處理（對照、加N、加P、加N+P），連續多年（2-14年）。
最後，他們使用 cwGS 評估社群基因體大小變化；用 log反應比（log response ratio） 衡量 cwGS 隨肥料的改變程度；建立貝氏系統發育混合模型，探討不同物種（控制演化歷史）對肥料的反應與GS大小是否有關。
他們發現：氮肥讓大基因體植物變強了！
在施用氮肥後，大GS植物的覆蓋率顯著上升，cwGS 增加，也就是說，施放氮肥讓大基因體植物變成了社群中的主角。不過，磷肥效果較小，只有氮肥才有顯著效果。
哪種類型的植物對肥料最敏感呢？C3 草本植物，特別是在C3 草本植物中，大基因體的種類對氮肥反應最強烈。可能因為這些植物原本因為資源限制生長受抑，一旦補上養分，就快速增長、遮蔽其他小植物。
氣候條件是否會影響這種反應呢？研究團隊發現，會。尤其是在乾燥、季節變化較小的地點，cwGS 增幅更明顯。研究團隊認為可能是因為大GS植物細胞大、儲水能力強，在乾旱地區具有優勢。相反地，在高溫變動劇烈的地點，小GS植物較能因快速細胞分裂搶得生機。
為什麼要做這個研究呢？
研究團隊認為，這個研究成果不只可以用來預測肥化或氮沉降下的草原演替方向；而且，因為他們將GS納入生態模型，提高對未來變遷的預測準確性。
而且，從這個實驗結果也告訴我們，並不是每個植物在競爭上都是站在相同的立足點，光是基因體大小就可能決定輸贏。
總而言之，這篇研究是少數將「基因體大小」這個分子特徵拉到「社群層級」分析的案例，展現出基因體大小不僅是細胞生物學的主題，也深深影響著植物在自然界中的命運與競爭力。
下次，當我們看到一片青青草原，也許我們該想到背後是一場看不見的基因體之戰。
參考文獻：
Morton JA, Arnillas CA, Biedermann L, Borer ET, Brudvig LA, Buckley YM, et al. (2024) Genome size influences plant growth and biodiversity responses to nutrient fertilization in diverse grassland communities. PLoS Biol 22(12): e3002927. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002927
