想瞭解基改作物嗎？先從農桿菌談起

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪編輯｜張容瑱；美術編輯｜林洵安

國際 C4 水稻計畫

中研院分子生物研究所余淑美院士，從小對農村和農作物就有濃厚的感情。踏上研究之路後，她以水稻為一生懸命的研究主題。處處用心、事事認真的余淑美在水稻的基因研究成就斐然，獲邀參與蓋茲基金會資助的「國際 C4 水稻計畫」長達十年之久，致力於打造抗逆境、高產量的超完美水稻品種，解決越來越急迫的全球糧荒，也讓臺灣的水稻基因研究在國際占有一席之地。

「這是非常困難的挑戰，大多數植物學家都覺得做不到，壓力很大」余淑美院士說：「可是如果現在不做，就永遠沒有機會。」這位中研院院士口中的不可能任務，就是「國際 C4 水稻計畫」。

這個龐大的計畫，終極目標是打造出高產量的「超完美稻米」，以餵飽全世界不斷增加的人口——目前世界人口已經超過 77 億，預估 2050 年會超過 95 億。想要餵飽這麼多人，糧食需要再增加 60%！然而，土地大量開發、水資源不足，全球氣候環境惡劣，現有糧食增加速度已追不上人口增加速度。

在科學家擘劃的藍圖中，這種超完美稻米與我們現在栽種、食用的稻米截然不同，將會是「C4 型」的植物，能夠高效率利用太陽能，使用較少的水和肥料，卻能有很高的產量。

等等，什麼是 C3、C4 型植物？

大家都知道植物會行光合作用：利用陽光把空氣中的二氧化碳和土壤中的水轉成醣類。C3 型植物，意即光合作用轉化二氧化碳時，最先產物為三碳化合物，如水稻、小麥、大豆、馬鈴薯等等；C4 植物的最先產物則是四碳化合物，如：玉米、甘蔗、高粱、芒草等等。重點來了！C3 型植物行光合作用的效率沒有 C4 型那麼好，也比較耗水。國際 C4 水稻計畫，簡言之，即是把屬於 C3 型植物的水稻改造成 C4 型植物。

「這個任務必須改變水稻的組織構造，以及它所進行的生化反應」，研究水稻基因超過三十年的余淑美解釋：「其中牽涉太多基因，要把水稻完全改造成 C4 型，真的難如登天！」不過余淑美始終堅信，有做就有希望。

因為在漫長的演化長河中，C4 型植物就是從 C3 型演化過來的，換句話說，C3 型是 C4 型的祖先。如果以人為的方式加速水稻往 C4 型植物演化的路徑，或許可以把水稻的光合作用模式調整成人類需要的樣子，解決未來糧食不足的困境。

以田間試驗評估轉殖成效

國際 C4 水稻計畫，一開始全世界共有二十多個實驗室參與，隨著計畫一期一期推動，愈來愈聚焦，到了第三期時（2015～2019 年）剩下 12 個實驗室。2019 年 12 月 1 日進入第四期（2019～2024 年），只剩 7 個實驗室參與。余淑美率領的研究團隊於 2009 年獲邀加入，至今已經堅持參與超過十年，義無反顧繼續前行。

最近的第四期計畫，余淑美的團隊負責兩個項目：一個是從「臺灣水稻突變種原庫」篩選出與 C4 型光合作用相關的重要基因，另一項工作則是把 C4 型的光合作用基因轉殖到水稻，種植在田裡，然後評估這個基因在水稻上是否有類似在 C4 植物時的功能、可否提高光合作用的效率。

「水稻轉殖之後，一定要到田裡去種，」余淑美表示，因為要試驗的水稻數量很多，光靠生長箱或溫室培養是不夠的，而且生長箱或溫室的環境非常穩定，沒辦法看出真正的農藝性狀，必須回到田裡，經過自然環境日曬風吹雨打的洗禮，才能顯現真正的性狀。

借重「水稻突變種原庫」的經驗

余淑美之所以能被國際 C4 水稻計畫委以重任，主因為團隊水稻基因轉殖的技術非常純熟，執行田間農藝性狀的評估已有十多年的經驗，這都要歸功於余淑美於 2002 年開始領導整合國內各個單位建立的「臺灣水稻突變種原庫」！

時間回到 1993 年，余淑美與博士班學生詹明才（現為中研院農業生物科技研究中心研究員）成功完成全世界第一個利用農桿菌轉殖水稻基因！此法便宜又快速，突破了水稻基因轉殖的瓶頸，目前已被廣為使用。

臺灣水稻突變種原庫，即利用農桿菌製造基因突變的水稻，作為研究水稻基因功能的材料。余淑美解釋，水稻大約有四萬個基因，想知道每個基因有什麼功能，最簡單、快速的方法就是製造突變：破壞基因或是促進基因表現，讓水稻出現不一樣的性狀，藉由性狀的改變來探討基因的功能。

舉例來說，如果利用農桿菌在水稻的基因體插入一個基因，製造突變，結果水稻長得很高，我們就知道這個基因與水稻生長的高度有關，由此著手研究，很快就能找到調控水稻高度的基因。

成立至今，臺灣水稻突變種原庫已製造、累積十萬多突變株，建立六萬筆突變基因資料，成為全世界科學家研究水稻基因功能的寶庫。

「建立水稻突變種原庫是一項非常艱鉅的任務」，余淑美回憶：「需要很多經費、很多人，和長時間的投入。」因此她遲疑了兩年，眼看基因功能研究已是全球擋不住的趨勢了，臺灣如果再不跟上潮流，水稻基因研究就會一蹶不振，失去競爭力。她決心放手一搏！

余淑美四處爭取經費，費盡心力整合中研院、國科會、農委會、中興大學等單位的資源，終於完成這項不可能的任務。目前，全世界只有韓國、法國、中國和臺灣有類似的水稻突變種原庫，臺灣雖然起步晚，花費的經費也比別人少，卻是目前品質最好的。

臺灣水稻突變種原庫利用農桿菌轉殖技術，製造出基因缺失或活化的水稻突變株，並保存突變水稻的種子，開放全世界申請，作為研究之用。

水稻長得好的秘密基因

除了優異的轉殖技術與豐富的田間試驗經驗之外，余淑美長年專注在水稻抗逆境生長的基因研究，也是受到國際 C4 水稻計畫肯定的原因之一。像去年（2019 年），余淑美的團隊就破解了水稻糖濃度的調控機制。

「人體內的血糖要維持一定的濃度」，余淑美說：「植物也一樣，糖的濃度維持一定範圍，才能長得好。」

水稻主要是利用 α- 澱粉水解酵素 (α-amylase) 將澱粉分解成糖。余淑美團隊的研究發現：缺糖時，水稻利用調控因子 MYBS1 促進 α- 澱粉水解酵素產生，把儲存的澱粉分解成糖；糖濃度過高時，則利用 MYBS2 來抑制 α- 澱粉水解酵素的產生。兩種機制互相協調，讓水稻的糖濃度維持正常範圍。

當植物遭遇乾旱、高溫、病菌感染等逆境時，往往呈現糖濃度太低的狀態，就是抑制 MYBS2，讓 α- 澱粉水解酵素大量表現，維持體內糖濃度的平衡來抵抗逆境。

了解這個機制後，她利用基因編輯技術控制 MYBS2 及 α- 澱粉水解酵素的表現，果真增加水稻的生長效率、耐逆境，而且維持高產量。

從世界看臺灣

「加入國際 C4 水稻計畫這樣的團隊，學到非常多！」余淑美說：「而且經費比較充裕，國外的博士生、博士後研究員等素質又好。」相較之下，臺灣研究人才的量和質一直在下降，「缺乏人才」已成為參與國際計畫最大的困難和挑戰。

余淑美認為政府在這當中扮演非常關鍵的角色，「很多部分靠我們自己努力，還可以克服，一旦牽涉到政策，真的無能為力。」政府不鼓勵基因轉殖作物、不重視農業生技，相關科系畢業之後找不到工作，自然沒有學生想唸——沒有出路、沒有新血，臺灣的研發能力怎麼深耕？

為了讓世界免於飢餓，國際 C4 水稻計畫要逆天打造全新型態的水稻；以米為主食的臺灣，農業研究是不是也該行所當行，開創新生機？！

延伸閱讀

• 「努力時，不要想自己是女性！」水稻教母余淑美
• The C4 Rice Project
• 臺灣水稻突變種原庫
• 余淑美個人網頁
• 中研院發現平衡植物糖濃度的關鍵技術 改良水稻品種 抗氣候變遷！

本文轉載自中央研究院研之有物，原文為《打造超完美稻米，餵飽全世界！余淑美與國際 C4 水稻計畫》，泛科學為宣傳推廣執行單位

食用基改玉米的大鼠，容易長腫瘤！？

這些年來，關於含有基改作物的食品，是否會對人類健康造成威脅，最重要的論文大概就是 Séralini 等人發表的有關大鼠研究的論文了（原文連結請點此，中文改寫請點此）。在這篇論文中，研究團隊將大鼠分為 10 組，每組 10 隻，攝取不同的食物；簡而言之，大概就是以基改玉米噴灑年年春、基改玉米不噴灑年年春、非基改玉米噴灑年年春、非基改玉米不噴灑年年春等組別，對大鼠進行大約二年的測試。

實驗結果發現，食用基改玉米的大鼠，雌性都在食用一年以後出現乳腺癌（雄性則是以肝臟病變居多），而等到他們長到兩歲時，有八成都出現了腫瘤（控制組只有三成）。實驗結果發表後，真的是舉世震驚，許多反基改的團體們無不爭先引用這篇論文。

但是…慢著！如果基改作物的確有致癌性，那麼為什麼從那時（2012）到現在，基改作物還可以販賣呢？有幾個原因，讓這篇研究充滿爭議，使得有些學者無法採信他們的結果。

第一，這種大鼠（簡稱為 SD rat）原本就容易長瘤。在 1973 年的論文中，研究團隊用了 360 隻這種大鼠，發現牠們在飼養18個月（年齡大約是 19 到 20.5 個月）時，有 45% 都長了腫瘤；而且雌性是雄性的兩倍。也是因為這麼容易產生腫瘤，所以一般以這種大鼠進行測試，都是測試三個月，不會進行長達兩年的測試。

當然，讀者可能會說，但是實驗組的腫瘤發生率還是比對照組高得多啊？在這裡要注意，因為在這篇論文中每組只用了 10 隻大鼠，對於癌症發生率如此之高的動物來說，只用了 10 隻，其實個別組的結果很難完全認定的確與實驗相關；就如在中文改寫下面的意見，就有讀者認為，這些組別中只有一組可以被認為牠們的腫瘤發生率與實驗的處理有關。

第二，大鼠本來就不是很長壽的動物。絕大部分使用大鼠進行的「長時間」測試的研究，僅觀察三個月而不觀察一至兩年，是因為大鼠們的平均壽命就是兩年！也就是說，這些大鼠在長到兩歲時，很多都長出腫瘤，其實跟人老了就會開始有很多大大小小的毛病是一樣的。

第三，在實驗組中並不是只單純的添加了年年春，還有組別添加了其他的物質來模擬受污染的自來水。而實驗結果顯示，並不是吃越多（添加基改玉米的含量分為11%、22%、33%）基改玉米的大鼠，癌症發生率就跟著提高。

因此，雖然在學術界有些學者選擇相信這篇論文，但質疑者也不在少數。筆者個人的意見是，人吃五穀難免會生病，但是要如實驗中的大鼠天天吃玉米，即使只是11%，應該也不大容易。畢竟人會有口腹之慾，早餐吃麵包，午餐就會想吃米飯，晚餐可能又想換換口味…要我們餐餐、頓頓、天天都吃一樣的，有誰會受得了呢？

當然，我們也有可能會吃到玉米、大豆而不自知！例如高果糖玉米糖漿（又名果糖液糖、豐年果糖）以及大豆沙拉油等。但是，這些加工食品中到底有多少含有基改作物的基因呢？

首先筆者要提醒大家的是，我們每天吃的食物，除非是加工食品，否則蔬菜、水果、魚、肉、蛋、奶、豆等等……，全部都是跟著它們的基因一起吃下肚的（而且，還連著在它們表面的細菌、病毒等等） 。如果吃基因是危險的，我們每天都活得很危險。

加工食品因為透過精煉，如高果糖玉米糖漿，玉米磨碎後加入酸分解澱粉，再以酵素將葡萄糖轉化為果糖，這中間經過許多純化過程，殘留於其中的基因微乎其微（更何況抗蟲或抗殺草劑的基因僅佔植物基因體約萬分之一）；而大豆沙拉油則經過壓榨、萃取接著精煉，可說幾乎不含有植物的基因了。

抗殺草劑年年春對人體有危害嗎？

或許會有讀者說：那麼抗殺草劑的基改作物，不都是噴灑年年春（嘉磷塞，glyphosate）嗎？年年春是否對人體有危害呢？

年年春在過去一直被認為是低毒性的農藥。不過，先前的一些發現，又讓歐盟重新開啟了研究，但也在 2015 年的 11 月 12 日再度下了結論，認為年年春的致癌性不高（中文改寫請點此）。當然，歐盟還是建議了年年春的每日容許量（就是吃一輩子也不會有事的量）為每公斤體重 0.5 毫克。

而抗蟲的基改作物，雖然過去曾發生過含有結晶蛋白 Cry9C 星鏈玉米的過敏事件，但這個版本的結晶蛋白已經不能再使用囉！身為地球上最厲害的轉轍掠食者的我們，天上飛的、地上走的、水裡游的，常常都是先吃再說，因此遇到的過敏與中毒事件，又少過了嗎？花生算是天然食物吧，但是 0.6% 的美國人對它過敏；而在美國國家過敏與傳染病研究所的「常見的過敏食物」網頁上，花生與堅果（如核桃）也是榜上有名的，而且大人小孩都會過敏喔！

有些讀者看到這裡可能會說：我為了嚐鮮吃到過敏的東西怪不了別人，但是廠商添加了我不知道的東西害我過敏，這可不行！筆者也同意這觀點。我們因為好奇心所吃下去的，當然應該要自己一肩扛起責任；但是廠商怎麼可以在我不同意的狀況下亂加東西到我的食物裡呢？

從基改的角度來看，目前台灣的法令，含有基改成分的食物是需要標示的；不過對於大豆沙拉油等精煉過的產品，就如前面所說，基改的成分應該是趨近於零，所以就不用列出了。既然已經有標示，不管您覺得基改安全不安全，反正不放心就別買含有基改成分的產品就好。當然，也別忘了在前一篇文提到的，因為目前主流的基改都是降低生產成本，要買非基改，就要有花錢的心裡準備喔！

從 1994 年的蕃茄一號到現在，其實基改還算是相當新的發明；很多新發明，一開始的目的與後來產生的結果，似乎都有不小的差距。而基改作物從當初 Mary-Dell Chilton 發現農桿菌可以把自己的基因植入植物的基因時，研究團隊只是為了可以證明第一個跨生物界（原核生物與真核生物）的基因轉移而興奮，接著也意識到這是一個非常強大的生物科技工具。孟山都也是從那時開始投入植物生物技術的研發，一開始或許只是為了要推展年年春的銷路？但是後來為了牟利，開始與農夫們斤斤計較、研發終結者基因，使他們成為許多人口中的「邪惡企業」，甚至禍延了可以真正為民眾帶來健康的黃金米，真的讓人不知要從何說起？

在基改之外

最後，還是不能不提一下抗蟲與抗殺草劑作物對生態的影響。由於抗除草劑的作物不怕年年春，農夫便放心地使用，造成農地周圍的雜草大量減少、影響到附近的生態；而抗蟲作物究竟會不會影響到其他昆蟲呢？

在 1999 年，曾有一篇研究發現，帝王斑蝶（monarch butterfly）的幼蟲吃了含有結晶蛋白的玉米花粉會死亡。消息一出，真的也是把大家都驚呆了！但是後來發現，其實在這篇研究裡面使用的花粉量相當多，在自然界，任一株植物葉片上要有那麼多的花粉，還真的需要一點奇蹟。不過，由於玉米是風媒花，雄花開在整株玉米的最高點，種植的時候的確有可能使得轉殖基因污染到周圍的作物；因此各國也都定下規定，在基改作物種植區的周圍，需要有隔離區，隔離區的面積需達到20%的面積才行。目前的經驗，能夠認真執行隔離的國家（澳洲），不論是轉殖基因的污染或是抗性昆蟲的出現，都幾乎無法觀察到。

其實，不論是抗蟲或抗年年春的作物，雖然可以降低生產的成本，但是就跟抗生素一樣，如果使用者不接受規範、任意濫用，到最後也會漸漸失去神效（詳見抗性雜草、抗性昆蟲）。人們不應該只是想著要控制自然，而應該找出與自然和平相處的方式，這樣才有可能永續生存在地球上，不是嗎？

參考文獻：

• Gilles-Eric Séralini et. al. 2014. Republished study: long-term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup-tolerant genetically modified maize. Environmental Sciences Europe.
• 【公民寫手】基改玉米引發腫瘤？Séralini論文爭議事件始末。上下游新聞市集。
• European Food Safety Authority. 2015/11/12. Glyphosate: EFSA updates toxicological profile.
• NIAID. 2012/3/6. Common Food Allergies in Infants, Children, and Adults
• John E. Losey et. al. 1999. Transgenic pollen harms monarch larvae. Nature 399 | doi:10.1038/20338
• 老葉的植物王國。2015/2/20。雜草以「人海戰術」來對抗年年春（glyphosate）。
• 老葉的植物王國。2015/2/10。抗蟲作物的末日即將來臨？

文／彭琬馨｜泛科學採訪編輯

今（2016）年 6 月 29 日，以新英格蘭生物實驗室首席科學家理查德羅伯茨爵士（Sir Richard J. Roberts）和麻省理工學院教授菲利普夏普（Phillip Sharp）為首的 109 位諾貝爾獎得主，聯名發出公開信，要求綠色和平組織終止抵制基因改造產品（特別是黃金米）的行動。

黃金米究竟是好是壞？

黃金米行動一開始是希望以基改方式，在水稻中加入能合成胡蘿蔔素的幾個酵素，以培養具有累積胡蘿蔔素的水稻胚胎，為的是希望解決全球各地因為缺乏胡蘿蔔素而導致大量痢疾、麻疹死亡率增加的問題。這個行動在 1999 年有了初步成果（參考：黃金米事件），不過相關論文發表從問世以來就不斷受到各種質疑批評，其中綠色和平是反對最劇烈的組織之一，龐大國際力量讓黃金米計畫進度逐漸延宕下來。

這次諾貝爾獎得主的公開信，又再一次掀起支持基改與反基改團體雙方一番論戰。為什麼會說是「又」？因為這樣的爭論自從 1996 年基改作物商業化後，二十多年來從沒停過。

事實上，這也不是科學界第一次公開替基改作物背書。今（2016）年五月，美國國家科學院、美國國家工程院和美國國家醫學院，就曾發布《基因改造作物：期待與展望》（Genetically Engineered Crops: Experiences and Prospects）報告，其中提到任何育種技術都有可能產生安全問題，不可能一概而論它所帶來的益處和風險。報告中認為，目前並沒有充足證據證明基改作物會讓人生病或危害環境。

台灣學者對基改利弊的辯論

基改作物對人體到底有沒有危害？類似爭論在台灣也不斷上演。

長期關注基改議題的台大農藝學系暨研究所教授郭華仁提到，目前學界對於基改作物的風險共識就是「沒有定論」。郭華仁認為，基改後的個體充滿各種變因，過去 1970 年代認為的「One-gene-one-protein」（一個基因只會轉譯一個蛋白質）理論被推翻，就證明了生物體變異性難以預測，將基因植入生物體，不只可能會產生新的蛋白質、更有可能造成原本蛋白質的改變。

對此，中研院植微所所長陳榮芳提出不同看法，他強調基改作物要釋出前，都需要通過一定流程的基本測試，也就是說，政府機關核可種植的基改作物，「基本上已經有某種程度的安全性」。雖然基改技術核心概念是在生物體內導入外來物，不過陳榮芳指出，這樣的導入「也需要讓生物體自然接受」，以目前的技術來說，作物的穩定性是產品上市前的重要評估指標，如果無法確定植入的基因對生物體產生的影響，產品也不會上市。

那麼，從對生態環境的層面來看呢？

除了對人體健康可能造成的危害，基改作物原本被設計來減少除草劑使用的特性，在實際操作上可能反而帶來反效果。郭華仁引用美國地質調查局（United States Geological Survey, USGS）的統計資料指出，正因為基改作物抗除草劑的特性，農民使用除草劑時才會毫無顧忌。從數據資料來看，郭華仁認為，至少在美國基改作物的出現並沒有達到當初宣稱，希望降低除草劑的目標。而農民過度使用除草劑的結果，也讓超級雜草成長速度超乎以往。不過陳榮芳卻抱持不同看法，他提到，即便沒有明確數據證明，除草劑主要是在作物幼小時、需要跟雜草競爭養分時使用，因此不會是長期性的狀態。

基因改造技術的一體兩面

如果你就此認為基改作物百害而無利的話，可能大錯特錯。

從學理上來說，以人工方法改變物種基因序列的方式，就可以被稱為基因改造。最常見的方法是分離某種生物的基因植入另一生物體，藉由這個外來基因，讓生物體表現出原本不具備的性狀特質。

但其實這只是基因改造的其中一環。陳榮芳就提到，除了植入基因之外，讓生物體基因發生缺失、喪失某些原有功能；或是去除／增加某些基因控制因子，讓其足以改變生物特性／功能的表現程度，都可以被稱為基因改造。「大家對轉基因的理解太狹隘，最後很容易忽視它帶來的好處」，像是某些基改作物抗病蟲害的特性，能減少作物損失、提高產量，其實多少能解決糧食短缺問題；此外因為作物能有效抵抗除草劑和蟲害，理論上來說也能有效降低人力成本。研究分子生物技術十多年，陳榮芳忍不住替基改作物抱屈。

當然，基改作物長期以來的紛擾，不可能在短時間內說清楚。學界關於基改作物的風險認定，追根究柢其實是一種價值選擇，只是不知道下回有沒有可能在做出決定前，讓大家看清我們擁有的每個選擇，以及選擇背後所要負擔的不確定性成本，如此或許才能讓關注不同面向的研究者相互交流對話，激盪出更多不同的火花。