水稻,早在萬年前人們即已開始種植;如今它是全球半數以上、近35億人口的主食。
1960年代,水稻、小麥等穀類經過傳統育種矮化的「綠色革命」後,產量大增,但終究不敵人口增加的速度,2006年更因美國將14%的玉米產量轉化為生質能源乙醇,引發國際糧食短缺、價格飛漲,連越南、泰國、印度等產米大國,也紛紛下達禁止或減少稻米出口令。
所幸,生物科技發達,科學家利用跨物種的基因轉殖作物,尋求比過去更有效的糧食及能源增產方法,「二次綠色革命」正如火如荼地展開,而水稻仍在其中扮演舉足輕重的角色。
中研院分子生物所特聘研究員余淑美,是台灣水稻基因研究的先驅,更是目前該領域中獲得最多專利的第一人。
水稻究竟有何迷人之處?何以能讓余淑美為它「執迷不悔」、「情有獨鍾」?
2009年的第一天,大家還沈浸在跨年的歡樂氣氛中,中研院分生所實驗室裡空無一人,唯獨余淑美的辦公室亮著燈光,全年無休的她,正為行政院「能源國家型計劃」中的「生質能源」進行規劃,忙得焦頭爛額。
不過,提起一輩子都離不開、放不下的水稻研究,她卻又眼睛一亮,立即生龍活虎起來。
「手把青秧插滿田,低頭便見水中天…」,即便基因改造作物爭議不斷,對辛苦耕作的農人來說,水稻長得好、收成好才是王道。
難忘稻香
現代都市年輕人,對水稻可能沒有任何感覺。在歌壇小天王周杰倫《魔羯座》專輯首波主打歌「稻香」MV中,稻穗結實纍纍、一片金黃稻海的農村和樂景象,正是余淑美腦中最念念不忘的兒時回憶。
台中縣外埔鄉農家出生的余淑美,看著田中稻子隨四季生長變化,是她童年生活最深刻,也是最重要的一部分。只是沒想到,負笈北上、走進生物科技領域後,仍與水稻脫離不了關係。
「我一輩子都在研究水稻,」余淑美說,碩士時研究水稻病害,博士、博士後研究水稻田的雜草防治、水稻種子發芽問題,進入中研院分生所後,又開始研究糖分與荷爾蒙如何調控水稻生長、提高水稻附加價值等「分子農場」議題;而繼中、韓、法之後,在台灣創建的全球第4個「水稻基因突變種原庫」,一肩扛起這個重責大任的,也是余淑美。
余淑美圍著水稻打轉,除了個人情感因素外,實在也是因為水稻研究在植物分子生物科技上居領頭地位。
水稻基因體小(僅有12條染色體、約3萬7,000個基因;玉米是它的6倍、小麥則是40倍),因此成為全球研究植物基因體功能最重要的模式作物,也是第一個完成「基因定序」的作物。包括台灣在內、10個國家攜手合作,耗費7年時間,終於在2005年宣告完成水稻基因定序。接下來,破解每個基因暗藏的功能密碼,是科學家後續的挑戰。余淑美指出,目前已經知道功能的基因不到1%,換言之,大部分的水稻基因仍待探究。
為研究水稻基因,余淑美團隊遠從越南引進未經矮化的水稻「老祖宗」,身長比人還高。
基因種原資料庫
解譯基因功能最簡單的方式就是──破壞它,使其產生突變。而余淑美正是全球以「農桿菌」轉殖單子葉植物基因成功的第一人。
何謂「單子葉」?單子葉指的是胚胎中僅有一枚子葉的植物(小苗出土時的明顯特徵),多為草本,因無「形成層」構造,所以莖不會逐年粗壯,多為草本植物;胚胎具有2枚子葉的雙子葉植物,則莖中維管束呈環狀,有形成層,會隨著植物成長而形成年輪。2億年前,單、雙子葉在演化上就已經分了家,不知何故,單子葉植物在基因轉殖時困難度較高,余淑美猜測,或許與代謝物不同有關。
而在生技界擁有「遺傳工程師」之稱的農桿菌,是普遍存在於土壤中的植物病原菌,常會引發冠廮腫瘤和毛狀根群。余淑美利用它做為媒介,將構築好的「外源基因」片段(T-DNA)放進農桿菌中,藉由它的感染、入侵,將特定基因帶入植株細胞中。
她以隨機插入的方式,破壞(直接插入基因中)或活化(插在基因與基因之間)基因,藉此來研究水稻基因的功能。
「不論是破壞或活化,基因一旦產生變異,就會影響蛋白質的生產,造成功能喪失或過度表現,性狀也就隨之改變。」余淑美舉例,基因突變後的水稻,有的分蘗(分出叢生的莖)發生變異,有的特別矮小,有的則高到比人還高;有的稻穗不會下垂、形似小麥,有的葉色改變不耐淹水、乾旱、低溫…。以此方式產生並存入台灣種原庫的水稻突變種,目前已累積超過6萬種!
余淑美的實驗室所製造的每一個突變種,皆交由農委會農試所團隊在台中進行防護嚴密的「隔離田間試驗」(以免種子外洩、「污染」正常稻作),經過兩代繁衍收取種子後,再交付國家種原庫保存。
保存種子外,分生所還會進一步「解序」,找出被破壞的基因,再一一記錄其性狀等生物資訊,建立資料庫。目前已有3萬個突變基因序列被分析出來,並公布在網站上供台灣學界使用。有興趣的研究者還可以向種原庫申請種子,進行更深入的研究。
靠著這種苦功夫,余淑美已從中找出二、三十種具有「特異功能」的水稻基因,有的能使稻穀結實更飽滿、有的可以縮短生長時程,有些則具有抗旱、抗寒、抗鹽等對抗自然界「逆境」的生存能力。
經過基因轉殖的穀粒組織,在培養皿中培養一段時日後,就能長成一株株水稻幼苗。
尋找啟動子
利用「酵素染色法」,進一步尋找各式各樣的基因功能「啟動子」,則是余淑美的研究重點之一。
「啟動子非常重要,」余淑美解釋,啟動子有如電燈開關,有它帶領,基因才能表現出某些特定功能,而組織專一性(只在某組織表現)與生長時期調控(只在某階段表現),都要仰賴啟動子。
找到各式各樣的啟動子,就能讓某個特異基因在某部位或某時期表現。例如「抗線蟲基因」,由於線蟲是由水稻根部感染,因此讓該基因只要在根部表現,不在種子表現,如此一來,對轉殖基因有疑慮的消費者,就不會在米粒中將轉殖基因的蛋白質吃下肚。
又例如「抗旱基因」,該基因如果平時就表現,那麼作物會一直以為自己處於缺水狀態,為了活命,自然會限縮生長而長得矮小,反倒造成歉收。只有找到並同時殖入抗旱基因的啟動子,才能讓抗旱基因「該表現時才表現」,如此一來,作物平時長得好,旱災時又能發揮抗旱能力,挺過逆境。
利用基因工程讓水稻抗病、抗逆境的目的,無非是解決迫在眉睫的糧荒問題。
突變性狀──雙「外穎」。
基改解糧荒?
隨著人口增加(預估到2050年,世界人口數將增加到90億),全球一半人口的主食──稻米──的需求量也大增。從1965年的256萬噸,到2006年的600萬噸,預估到2020年需求量將達750萬噸。
人口增加,全球可耕地卻因工業污染、土地沙漠化、沖蝕、鹽化(肥料中的元素累積或海水浸潤)等問題而逐日縮減。如何生產足夠的糧食成為大難題。科學家認為,基因改造可提高作物產量、降低耕作成本,是一把解決糧荒問題的金鑰。
余淑美指出,提高作物的生產力及抗病性、抗蟲性,可大幅減少農藥和化肥的使用、降低成本。根據統計,從1996年開始有基改作物起到2004年,全球農藥的使用量因此減少了14%(1,725億公噸)。
「抗病蟲害能力對台灣尤其重要,」余淑美說,台灣地窄人稠,氣候濕熱,病蟲害多,因此農藥使用量大,排名亞洲之冠,如果能推廣抗病基改作物,就可以解決這一大農業沈痾。
水稻是個研究基因功能的模式作物,知道功能的基因可用來改良水稻及其他穀類作物。而增加作物的耐旱、耐鹽、耐寒性,則可以擴充耕地面積,使得原來不適合栽種作物的地方,如低窪的海水倒灌區及溫度偏冷的山區,也可以種植作物。
除了糧食外,也有不少人希望藉由基改作物來解救能源危機。
余淑美指出,將農作物中的纖維素轉為生質燃料,理論上相當可行,但技術上仍不成熟。
她解釋,纖維素像鋼筋、木質素則像水泥,兩者緊緊包在一起,讓植物可以挺直站立。然而,要利用植物做能源時,「鋼筋水泥」卻是阻礙。要取出纖維素分解成糖、製作酒精時,必須要用強酸、高溫、高壓將「鋼筋水泥」爆破。而強酸會製造污染,高溫、高壓則需要耗費大量能源,實在不夠環保也不夠經濟。
那麼,什麼才是值得能源開發者投入的「聰明作物」呢?余淑美認為,水稻、小麥、甘蔗等,都是從頭到腳可以利用的聰明作物。以水稻為例,除了可以食用的稻米外,過去被視為「農業廢棄物」、甚至焚燒造成空氣污染的稻稈,就是一種優質纖維素,也將是未來的「能源之星」。
突變性狀,包括葉面變寬、棒狀稻穗及渾圓的穀粒。
水稻分子農場
除了提高稻米作為「食物」和「能源」的兩大功能外,利用基因工程讓作物生產工業或醫藥用途的蛋白質或酵素(俗稱「分子農場」),也是科學家們努力的方向之一。
目前正在菲律賓「國際稻米研究中心」試種,預計二、三年後可上市的「黃金米」,就是最典型的例子。
瑞士科學家Ingo Potrykus與Peter Beyer在2000年發表的「黃金米」,成功地以基因轉殖方式,讓米含有較高的β胡蘿蔔素,食用後可轉化為維生素A,以有效解決全球1.27億兒童及700萬孕婦因維他命A缺乏而導致眼盲,甚至死亡的問題。
余淑美也不遑多讓,多年來她已在水稻分子農場上獲得多項具體成果,「植酸酵素米」是其中一個例子。
基因轉殖的植酸酵素米,具有幫助分解、吸收磷的好處。余淑美解釋,一般豬、雞等家畜家禽多以玉米、大豆為主食,穀粒中的磷往往被「植酸」緊緊抓住,無法被腸胃吸收而排放出來至自然界,不僅動物易因缺磷而影響骨骼生長,更會導致農場附近的地下水污染、湖泊優氧化。若在飼料中添加植酸酵素米,讓磷能在動物體內分解吸收,就能解決上述問題。
植酸酵素不只是對動物、環境有好處,人也可以食用。
「其實植酸酵素對吃素的人特別好,」余淑美指出,素食者吃很多豆類,從這種米中粹取的植酸酵素可以幫助分解豆類中的磷,幫助消化。
2000年,余淑美將「植酸酵素米」技轉給台灣的國際基因公司,不料8年來,農委會的審查委員已經換過3批,植酸酵素米仍未能通過田間試驗審核。
余淑美透露,台灣米外銷日本,而日本是先進國家中唯一仍未核准種植基改作物者,一般日本民眾對於「基改」一詞更是敏感,農委會擔心稻米銷日因此受阻,遲遲不願通過植酸酵素米的田間試驗。然而,根據台大農經系教授陳郁蕙的「基因改造植酸米經濟效益分析」報告,一旦獲准生產上市,植酸米的產值其實高於稻米外銷日本的產值。
科學家的沈痛呼籲
經過8年「抗戰」,余淑美對於研究成果能在自己的土地上運用已經「不抱希望」,轉而「外銷」,開始與國外的生技公司合作。
總部設在德國萊因河畔的全球最大農化公司巴司夫,已與中研院簽約合作,提供資金研究30個與產量有關的水稻基因,一旦余淑美的實驗室找出基因功能,該公司便能獲得授權使用。另外,跨國農業生技公司孟山都,也對於一個在小苗階段表現基因的啟動子很有興趣,近日內也將完成授權。
擁有全台最多植物專利(二十多項)的余淑美說,基改作物田間試驗審核在農委會「大塞車」,遲遲未能獲准產業化的結果,將導致台灣的農業生技發展空間越來越小。
余淑美透露,中研院與巴司夫合作之初,曾選擇了100個基因要進行研究,最後只剩下30個,是因為其餘的都已被其他國家的團隊捷足先登、申請專利了。
「再過二、三年,台灣的農業高科技就沒有領先的機會了!」余淑美沈痛地指出,當所有專利都被「鎖住」時,台灣的未來農業生技發展將動輒得咎。即便是打著救助貧苦婦女、病童的人道「黃金米」,都差點被卡死在二十幾個專利問題上而胎死腹中,這個產業的競爭白熱化可見一斑。
余淑美感嘆,1960年代造就第一次綠色革命的「低腳烏尖」和第一代黃金米使用的「台北309」,都是台灣的水稻品種。曾幾何時,台灣的水稻基因研究卻因為政策的裹足不前,而逐漸喪失先機,余淑美的沈痛可以想見。但不知她的呼籲,能否被聽見?
出身台中外埔農家的余淑美,憑著對水稻的濃厚深情,和客家女性堅毅不移的精神,成為台灣水稻基因研究的先驅及最多專利的擁有者。
5個基因發生突變後,稻葉發生捲曲現象(右前方矮株)。至於究竟是哪個基因在調控?「捲捲葉稻米」尚待進一步解謎。
左為基因轉殖後的抗鹽害水稻,右為一般水稻在鹽害環境中。
基因科技日益發達,不論是寒害、鹽害、乾旱或水災等不利水稻生長的條件,未來都能被一一克服。
稻米是全球半數人口的主食,在生態環境日趨惡劣、人口卻日益增加的情況下,如何提升產量,成為農業科學家亟需解決的難題。