生物技術專輯 

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 最近數年來農業界最偉大的一項科技革命應該屬於 GMO 作物之誕生， GMO 是 genetically modified organisms 之簡稱，這裡我們把它翻譯成『基因工程改良作物』；其實，這幾年來在西半球已經大量栽培此類作物，諸如大豆、玉米、棉花、馬鈴薯及油菜等。

以美國地區為例，在 1998 年有 25%玉米、38%大豆及 45%的棉花種植面積都是這類生技產品；1999 年間，共二千九百萬公頃的大豆栽種面積，GMO 就已超過了一半以上，其他諸如玉米及棉花等的栽培面積也都超過了三分之一，至於美國以外的其它地區，栽培這類 GMO 作物的面積大約有二千八百萬公頃之多 (Abelson & Hines, 1999)。

有些專家預測在未來五年內 GMO 作物的栽培面積將達到 1999 年的三倍之多。雖然截至目前為止，GMO 作物的市場利潤僅達 15 億美元左右，但是許多歐美生物技術的公司卻投入超過此數的經費繼續進行研發，因為大家都認為在未來這是一個有利可圖的行業，預期在時機成熟時，單單美國市場就有五千億美元的產值。 難怪美國 Cargill 公司的副總裁 Dr. Austin 發下豪語說： 『基因工程作物的誕生終將使工業革命為之遜色 (Genetically engineering crops will make the Industrial Revolution pale by comparison)』。

所謂 GMO 作物，指的是利用基因轉殖的技術，將特定的基因轉殖至某些經濟作物中，因而賦予這些作物得到了其原來所沒有的特性；這些特性可以包括：抗蟲、抗病、抗旱、抗除草劑或者增加作物的特殊風味及營養成分。而這些外來的基因是利用遺傳工程的方式選殖 (cloning) 而得；單一基因轉殖所得到的遺傳工程改良作物較之傳統的育種雜交而得的改良作物，精確而快速，並且沒有種屬間的雜交障礙。

因此此技術被認為是二十一世紀農業生物技術的主流，也可能是另一波的綠色革命。這些經過基因轉殖過的作物確實為農民帶來了許多好處，就以抗除草劑基因轉殖的作物來說，農民栽培作物後，單單節省除草的工時就相當可觀。

在農作物栽培的過程中，蟲害也是一項最令人頭痛的農業問題，對付這個古老的農業問題一向就是使用化學農藥最為直接。雖然每年全世界花費在蟲害防治 (包含使用化學農藥) 達 100 億美元，但是全球的農作收成因蟲害所致的損失卻仍達 20-30% 左右 (Estruch et al., 1997)，由此可見蟲害的嚴重性。不止如此，由於化學農藥廣泛使用結果，造成抗藥性的昆蟲族群不停地演化，更造成自然生態污染以及農藥在作物中殘留以致影響人類健康等等不良副作用衍生出來。

第一代開發成功的抗蟲基因是一種自蘇力菌 (Bacillus thuringiensis, Bt) 中所分離到的毒素基因，十五年來經過許多人的研究改良結果，終於可以讓此毒素基因可以在轉殖作物組織中大量表現毒蛋白，針對不同種類的蟲子，有不同的毒蛋白基因可資對付，1996 年轉殖 Bt 基因的 GMO 作物商業化以來，這些轉殖作物已在美國廣泛地種植。

昆蟲對於藥劑易產生抗藥性，對於 Bt 毒素的抗藥性亦已經被陸續發現，1996 年夏威夷大學的 Tabashnik 教授發現昆蟲中有針對 Bt 蛋白的拮抗性基因 (Jenkins 1999)，這說明研發新穎且多樣化的抗蟲基因，以應付昆蟲不斷演化的抗藥性是勢在必行的科學工作。

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圖一 

圖一  甘藷田景觀。綠油油的甘藷作物，農民即使不施用農藥也可以收成。

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 在第二代的抗蟲基因中，有一種發現自植物體中的『胰蛋白脢抑制因子』 (trypsin inhibitor, TI) 一直被賦予重望；本實驗室自 1995 年以來，分析甘藷塊根中一種儲蛋白 (storage protein)，並證實此蛋白質是一種鹼性的胰蛋白脢抑制因子，由於甘藷在自然的生長過程中，較之其它農作物具有抗蟲力 (圖一)，它是農民栽培過程中少數不需要施用化學農藥的作物之一，我們一直懷疑甘藷的抗蟲特性與 TI 基因有直接的關連性，後來，利用農桿菌基因轉殖方法，將此基因轉殖至菸草模式植物中，在轉殖的菸草中，篩選出基因表達良好的轉殖株進行抗蟲測試後，結果非常令人興奮，轉殖菸草確實具有極強的抗蟲能力 (圖二及圖三)，轉殖株在經過子代的遺傳分析，也發現具有穩定的遺傳性 (Yeh, 1997)。

圖二

圖二  轉殖抗蟲基因的菸草葉子，進行抗蟲力測試。右邊菸草葉是經過甘藷抗蟲基因轉殖而得，左邊為對照組，同時餵食斜紋夜盜蟲一週，對照組囁食殆盡。

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圖三

圖三  轉殖抗蟲基因的菸草植株進行抗蟲力測試。左邊菸草為抗蟲基因轉殖株，右邊為對照株，二者同時餵食斜紋夜盜蟲四天，對照株受害嚴重。

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這些初步的工作帶給了我們非常有希望的願景。以台灣的農業狀況來說，由於地處熱帶及亞熱帶的氣候環境，蟲害猖獗，1998 年農藥的使用量將近五萬公噸，長久以往將不是正確的農業經營之道，如何逐漸減少農藥使用量，已經是全世界的趨勢，也是重建『美麗健康新台灣』必走的途徑，這是值得大家深思的重大課題。

根據這個觀念，我們的實驗室目前也在農委會支助下，致力於將甘藷的抗蟲基因轉殖至十字花科蔬菜，其他農業研究機構，如：嘉義農試所、台南農改場、台中農改場及花蓮農改場也和本實驗室建立了合作研究網，為開發台灣的抗蟲 GMO 作物共同戮力。 

另一個值得一提的有趣問題，就是植物自身的防禦機制 (defense mechanism)。以甘藷為例，在沒有蟲害侵襲的時刻，其抗蟲基因並不表現於地上部位組織中；但當蟲子啃食葉部時，抗蟲基因即刻全身性地誘導表現出來，並合成抗蟲蛋白質，以達到驅蟲剋蟲的目的。這種基因的調控機制，乃是植物節省能源的運作方式，這種受傷誘導機制，主要是靠基因啟動子 (promoter) 來調控。

最近我們也成功地選殖出這類的起動子序列，再利用 GUS 方法進行活性測試的結果，證實其對於受傷感應非常敏銳 (圖四)。 這類啟動子相當適合用於抗蟲基因之作物轉殖，由於其具有特殊性，故極 具商業潛力；尤其更重要的是，這是本土的科技成果，沒有國外專利之困擾。

圖四

圖四  甘藷受傷誘導啟動子轉殖在菸草小苗中測試的情形。將甘藷的受傷啟動子結合 GUS 基因，轉殖至菸草中，當菸草受傷後，啟動子即誘發表現 GUS 基因而呈現藍色。

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1996 年，當我在比利時碰到根特大學著名的 Montagu 教授時，他曾經告訴我說：『科技的研究在於提昇人類的福祉，我的每一項研究工作，在一開始時就已經決定了解決目標』，去年在古巴的『植物基因工程研討會』中，在他的演講詞中仍然再度闡釋他一貫的理念，我非常盼望更多的青年朋友們在校期間好好充實這方面的背景知識，為未來從事這方面的生物科技預作準備，利用生物技術解決本土性農業及醫學上的問題，以提昇台灣的科技實力。

一項新科技的誕生總會讓云云眾生驚惶不安，就像 GMO 作物已經被全球十分之一的人口食用了三、四年之後，才再度 激起疑慮，但最重要的是我們身為科學家要了解科技的本質與科技應用的正確方向，發展台灣的生物科技一定是必須要走的道路。

◆ GM links via BBC

參考文獻

Abelson, H. P. and P. J. Hines (1999) Science 285: 367-368.

Estruch, J. J. et al., (1997) Nature Biotechnology 15: 137-141.

Jenkins, R. (1999) Biotechnology and Development Monitor 38: 24.

Yeh, K. W. (1997) Plant Cell Reports 16: 696-699.

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