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打造超完美稻米,餵飽全世界!余淑美與國際 C4 水稻計畫

研之有物│中央研究院_96
・2020/08/14 ・3603字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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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。

C3 植物,意即光合作用轉化二氧化碳最先產物為三碳化合物, C4 植物最先產物則是四碳化合物。 C4 型植物的葉片中具有特殊的組織結構,以及複雜的酵素生化反應,可以讓二氧化碳更有效率地轉換成糖類,並且減少在蒸發作用流失水分。換句話說,以同樣的水量灌溉,C4 植物可產生的糖比較多。國際 C4 水稻計畫,簡言之,即把屬於 C3 型植物的水稻改造成 C4 型植物。 圖說設計│黃曉君、林洵安

「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。

圖片來源│余淑美

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。

余淑美(右二)以及來自國際稻米研究中心的 C4 計畫第一到第三期的總主持人(右一)、國際稻米研究中心訪問學者(左二)、學生羅舜芳博士(左一),於水稻實驗水田旁合影。 圖片來源│余淑美

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。

圖說設計│黃曉君、林洵安

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。

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,讓水稻的糖濃度恢復正常;糖濃度過高時,則利用 MYBS2 來抑制 α- 澱粉水解酵素的產生。 圖說重製│林洵安;資料來源│余淑美

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。

圖片美化│林洵安;資料來源│余淑美

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?!

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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

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研之有物│中央研究院_96
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你知道基因改造,那知道「基因編輯」技術嗎?讓專家一次告訴你!
台灣科技媒體中心_96
・2022/06/29 ・3505字 ・閱讀時間約 7 分鐘

英國環境食品與鄉村事務部(DEFRA)於 2022 年提出的《基因技術(精準育種)法案》。
圖/envato

英國環境食品與鄉村事務部(DEFRA)於今(2022)年 5 月 25 日提出的《基因技術(精準育種)法案》(Genetic Technology (Precision Breeding) Bill),6 月 15 日已過二讀討論,6 月 28 日將進入下一個審議階段。該法案針對精準育種的動植物,以及由這些動植物生產出的食品與飼料,提供開放銷售相關的風險評估。

台灣科技媒體中心邀請專家說明目前的研究與技術,4 位專家皆解釋精準育種技術更能縮短育種作物的時程,並指出該法案可供臺灣參考的面向。

法案修訂,提升糧食生產策略的重要性

臺灣大學生物科技研究所教授 兼 生物資源暨農學院副院長 劉嚞睿 表示,目前各國用基因編輯技術,做為基礎開發的新興精準育種技術產品,管理方式並不一致。所以目前國際上,是否以基因改造生物的規範來管理新興的精準育種技術產品,仍未達成共識,會影響新興精準育種技術產品的開發。

成功大學生物科技與產業科學系副教授 郭瑋君 指出,過去,美國對科技作物相對開放,而多年來歐盟強力反對。英國作為歐洲的三大強權之一,提出此修訂案,開放精準育種作物的產業研發及銷售,反應出此技術不再只是美國自身的國際貿易考量,而是提升未來糧食生產的重要策略。

英國開放精準育種技術,可能是提升糧食產量的重要策略。圖/envato

郭瑋君認為,這對全球有顯著的指標作用,相信此舉也會帶動歐盟未來思量修改相關法案。但郭瑋君也指出,該法案所提的專一基因編輯,在臺灣的精準育種技術只在研究單位進行,以分析作物的基因功能為主,目前仍未發展於產業育種。

郭瑋君表示,精準育種技術可以直接修改植物的基因,因此最大的潛力是可以去除造成植物生長弱勢的基因,而提高生長能力及永續栽培方法的應用。她說,精準育種技術可以顯著縮短育種時程,從 10 年縮短到 1 年半,這在因應氣候變遷造成每年極端氣候,加快培育有抗性的作物品種,有極大的助益。

郭瑋君舉例,自精準育種技術於 2013 年成功改變植物基因後,2017 年美國食品藥物管理局(FDA)即已核準了精準育種可抗旱的大豆、増加含油量的亞麻,及不會變黑的蘑菇上市。

臺灣大學農藝學系副教授 蔡育彰 表示,英國提出修訂精準育種法案,是繼美國、澳洲、日本等國之後,將基因編輯作物與基因改造作物做出區別。

目前已訂定法規中允許的精準育種作物,主要是影響作物本身特定的基因表現。

精準育種可以大幅縮短育種時程、因應快速來臨的極端氣候。圖/envato

蔡育彰認為,這種改變原本特定基因表現的作物,與現行一般育種方法所育成的作物相似,若再輔以目前成熟的全基因組定序分析技術,可完整的比對出精準育種作物與對照品種的基因組序列差異,後續相關安全性評估可與過去一般品種育成的流程相似。

臺灣海洋大學水產養殖學系副教授/前系主任 龔紘毅,同時也是執行科技部、農委會與多項產學合作的計畫主持人。龔紘毅指出,精準育種技術幫助我們減少對農藥及抗生素的依賴,減少對環境的影響並改善動物福利,增加動植物的營養價值,從而提高糧食系統的生產力、復原力及可持續性。

龔紘毅說明,臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」(Genome selection)與「基因體編輯技術」,前者需要有明顯不同性狀的族群樣品並選育物種,但相對也會投入很高的成本,較適合少數高產量與高經濟規模的物種。

臺灣現在發展的精準育種技術有「基因體選育」(Genome selection)與「基因體編輯技術」。
圖/envato

龔紘毅表示,臺灣在農業基因體學和遺傳技術有豐沛的能量及基礎研究,可借鏡英國法規,制定輕度監管的方式,釋放研發及促進農業產業發展的能量,且制定符合台灣最大效益的規則。龔紘毅提到,日本專家及政府在制訂精準育種法規的前瞻性、推廣經驗與鼓勵新創,也值得臺灣加以借鏡學習。

他指出,日本與臺灣均為水產消費大國,日本雖然在基因改造生物(GMO)法規上嚴格管理,但學界與政府認為基因編輯技術在精準育種具有龐大的發展潛力,因此在基因編輯法規超前部署,制定明確且兼顧產業發展與生物安全的法規制度。同時在科學教育及注重新興技術與民眾溝通、宣導和知的權利。

精準育種,相對縮短培育時程

劉嚞睿說明,依臺灣「食品安全衛生管理法」定義,基因改造是指使用基因工程或分子生物技術,將遺傳物質轉移或轉殖到活細胞或生物體,產生基因重組現象。基因改造技術食品含有外源基因,對人體健康與環境生態可能有影響。

不過他舉例,三種基因編輯技術中,其中兩種技術的衍生產品,不含有外源基因。所以除了歐盟仍以基因改造生物的規範進行管理以外,大多數國家認定風險與安全性應與傳統育種無異,故認為不屬於基因改造產品。

劉嚞睿指出,基因編輯技術可在不含外源基因的情況下,精準快速的改變生物體內特定的基因序列,大幅縮短育種時間,帶動新興精準育種技術的發展。但此精準育種技術,透過人為的操控物種基因體,甚至影響物種的基因多樣性,仍引起諸多道德倫理與社會價值的矛盾與衝突。

用人為方式改變生物基因的精準育種技術,仍有道德倫理上的疑慮。圖/envato

蔡育彰說明,精準育種使用的基因編輯技術,與傳統基因改造不同,傳統基因改造是經由外加的基因。他指出,實際應用的困難在於,精準育種此技術應用在不同作物、品種和品系上,效率也都不同。由於目前法規允許的精準育種技術有限制 DNA 序列的變異型式,應用於許多現行栽培的作物種類上可能預期效果較有限。蔡育彰也提醒,精準育種技術的應用也需要對目標作物的基因組序列有完整的了解。

郭瑋君指出,基因改造主要技術核心是,永久放置「非植物」的基因片段於農作物體內,如抗病或抗蟲或抗農藥基因,可能來源是昆蟲或細菌,以提高基因改造作物的產量。因此這些外來基因在作物內會產生外來的蛋白質,可能栽種時造成其它生物如昆蟲的生長或演化上的變異,在食用時可能成為人類食物的過敏源。

郭瑋君解釋,精準育種技術是直接去除或變異「植物」本身的基因片段,最終的育種作物不會有外來的基因或蛋白質。

與基因改造不同,精準育種的基因編輯技術,只會剔除、不會新增外來基因到農作物體內。圖/envato

龔紘毅解釋,精準育種中的基因編輯技術,讓科學家能幫助農民和生產者開發出有益處的植物和動物品種,這些也能通過傳統育種和自然過程發生,但基因編輯可以更有效和更精準的大幅縮短選育新品種所需的時間。

台灣科技媒體中心表示,目前英國的精準育種技術仍屬於基因改造生物(GMO)法規的監管下,若此法案通過,將有利於精準育種技術與產業發展,但是,使用精準育種技術的作物是否納入或獨立於「基改作物」的法規規範,仍待持續關注與討論。雖然英國、紐西蘭、澳洲等都有專家長年持續的討論基因改造作物與基因編輯作物的技術,但在臺灣仍十分缺少對此科學議題的專業看法與討論

台灣科技媒體中心總結,透過科學家說明目前的研究與技術,能幫助在科學技術被誤解之前,提供正確的資訊以利討論。雖然這次是在英國提出的精準育種法案,但未來臺灣若有相關發展,也可以做為參考的資料。

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餵飽全人類,需要她與她的科學——余淑美專訪
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/03/29 ・5129字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃,泛科學企劃執行。

  • 2014 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第七屆傑出獎得主

余淑美帶我們走進她在中研院分子生物研究所的辦公室,小的讓我意外。一台小型的葉片式電暖器放在門邊,就佔掉了一大塊空間。「這是給植物保暖用的,因為最近比較冷。」我們這群採訪者擋在門口還來不及動作,貴為院士的她就俐落地收起電暖器的插頭,將其移到另一側。「這舊電暖器要移動有個角度,我比較知道怎麼推。」她隨即拉來兩張椅子招呼我們坐下,採訪這天下午一連多日的寒流稍退,冬陽在此時斜斜曬入,點綴著大小綠色植栽的辦公室,在我眼中突然像是森林一隅,變得好大。

氣候條件跟植物生長狀況息息相關,這點你知、我知,我們老祖宗也知,因此才有了一萬多年前,被某些學者指稱為「農業革命」的時代,越來越多人類族群放棄狩獵採集,發展農牧生活型態。只不過這革命因為各種因素,過程極為緩慢、停停走走有時甚至還逆轉,而且並不是只帶來益處……。一萬多年後的此刻,科學家對農業與農作物的理解比老祖宗高出何止百萬倍,但人口暴增、耕地破碎、過度施用肥料與農藥、土壤與水源污染、加上氣候變遷造成的高溫、乾旱、洪患、海平面上升等,就連像余淑美這樣最頂尖的科學家也擔憂。

但比起現在才在煩惱氣候變遷的你或我,她早就採取了行動。

圖/余淑美提供

農業要發展,育種很重要

「農業其實跟我們生活息息相關,可是太廉價容易獲得,所以大家都不珍惜,辜負了辛苦的農夫。」余淑美院士小時候就跟許多同年代的孩子一樣,在農村成長,在水稻田邊玩邊學。雖然家庭經濟狀況不佳,但父親一直鼓勵她讀自己真正有興趣的,不要為了家境委屈求全,因此她從北一女畢業後,雖然同時考上國防醫學院護理系,可以畢業即就業,但從小就喜歡植物的她,最後選擇就讀中興大學植物病理學系,就此一直鑽研水稻,勤奮不懈,成為國際上舉足輕重的「水稻教母」。

就像 SARS-CoV-2 這新冠病毒不斷變異,余淑美說所有的生物基因都在不斷變化,就像人類的癌症來自基因突變,而現代社會能豐衣足食,也要感謝育種學家跟農夫持續透過作物雜交來改造基因。她說最早的玉米跟現在長得一點都不一樣,只有幾顆種子,而且又硬又難吃。不過透過化石證據,發現 7,000 年前到 500 年前這段時間的玉米不斷經過育種,外表已跟目前非常接近。另外,如今我們常吃的蔬菜,像是高麗菜、白菜、花椰菜、青花菜、羽衣甘藍……等,雖然名字跟外型差很多,但祖先其實都是十字花科的油菜,基因定序後會發現只有非常小部分不同,這都是育種多年的成果。

然而「育種多年」,也就等同速度太慢,而且也不一定想育什麼種,就出什麼種。過程艱辛也使得田間育種的人才越來越少。因此,新的生物技術接連誕生,有的使用化學藥劑,有的則透過放射線來誘發基因突變,速度雖然快了一些,但依舊是隨機突變,會出現難以預料的性狀,而且通常是我們不想要的。

基因轉殖,或你可能更常聽見的「基改」,則是速度更快更精準的育種方式,也是余淑美實驗室的專業。「我們知道很多水稻基因的功能,非常容易複製及插進好的作物品種基因體裡面。目前有技術可以精確地控制要插在哪裡,不會影響基因體其他基因的功能。」相較於其他育種方式起碼要六年到八年,余淑美表示基因轉殖兩到三年就可以完成,創造了已廣泛種植的基改玉米跟黃豆。因此,現代育種需要結合分子生物學、生物化學、物理化學、生物資訊學、組織培養技術、農園藝、病蟲害防治等技術,才能在短時間培育出好品種。余淑美說目前更已進入電腦育種時代,透過運算讓已經縮短的育種時間更短、產出更佳。

30 年來投入水稻研究,從 1993 年完成全世界第一個利用農桿菌轉殖水稻基因,到建立臺灣水稻突變種原庫、參與國際 C4 水稻計畫,余淑美持續突破,於前年(2019)10 月發表在《美國國家科學院期刊》加長版(PNAS, Plus)的研究,更發現了水稻抵抗逆境的關鍵機制。雖然這份研究在實驗時還是用基因轉殖技術,但隨著基因編輯技術發展盛行,她也向我們透露實驗室已經用基因編輯成功實現。

「我們平常追求 100 分的產量,可是如果雖只有 90 分的產量,水卻只用三分之一,經濟成本是很划算的,我們希望將來可以推這些技術。」對基因編輯稻米新品種,她樂觀期待。

基改的難題:要克服的不只有技術,還有人心

余淑美相信基因轉殖改良的作物能夠為世界創造更高的價值。以玉米這種易受玉米螟、玉米穗蟲加害的主要作物為例,農民可以噴灑蘇力菌(Bacillus thuringiensis Berliner, Bt)來防治。這種細菌的孢子會產生結晶蛋白,當幼蟲吃進腸道裡,會導致腸道穿孔,而且不同菌種有特定的殺蟲對象,能避免誤殺益蟲,也是對人類很安全的一種農藥。孟山都公司以此原理,透過基因轉殖技術,讓植物自行產生這種抗蟲蛋白,就可以連蘇力菌都不用噴了,而且一樣安全。
除了玉米之外,大豆、棉花、油菜、馬鈴薯也都陸續由生物科技公司開發出基改抗蟲品種,因此大幅降低了農藥的噴灑量達 3/4,間接保護了農人與消費者的安全,降低了環境保護跟生產的成本。另外像是香蕉萎縮病、木瓜輪點病等極難防治的疾病,影響貧窮地區的人民甚鉅,透過基因轉殖創造新品種也是最有效的作法。余淑美認為有些生技公司儘管名聲不好,但其對全球大量減少使用殺蟲劑的貢獻足以獲得諾貝爾和平獎。

科技上不斷突破、讓育種比過往更快更精準,降低農藥與肥料施用,從而減少環境影響;增加產量跟營養,讓食物更便宜可親。但在許多國家地區的政策跟民眾觀感中,基因轉殖作物始終過不了關,包括臺灣。

攝影/呂元弘

余淑美認為,相較於其他更不精準的育種技術,基因轉殖作物受到的要求太高了。生物安全評估的成本一層層疊加,「所以你可能十塊錢的成本,一塊錢是研發,九塊錢是花在生物安全評估上。」她說,這也使得這遊戲只有大公司玩得起,有志創新的小公司反而被排擠。

雖然臺灣面對少子化、人口下降,但就全球來說,總人口依舊還在快速增加,往 95 億前進,即使是此刻,全球也有 10 億人處於飢餓狀態。而一份統整了 500 篇研究的報告,顯示糧食生產的速率完全趕不上人口成長,屢創紀錄的自然災害,如旱災、洪荒、野火、高低溫、病蟲害等,更讓余淑美估計糧食危機將提早到來。

以稻米來說,「日本原來的品種都比較適合低溫,現在溫度越來越高,他們到臺灣來要品種去做雜交,因為他們的稻米現在已經開始不耐高溫了。」她接著指出前年(2020)花蓮有機米也因為高溫產量減少四成,桃竹苗第二期稻作也因為乾旱而休耕,去年(2021)中部許多地方第一期也休耕。她表示其實只要政策願意開放,她有把握可以育出不需要用那麼多灌溉水的品種。

除了耐旱,耐鹽也是余淑美認為值得開發的特性。像是歐洲唯一的稻米區——法國與西班牙南部就遇到地中海海平面上升、鹽水侵襲的問題;同樣的問題在臺灣,余淑美指出也有 30,000 公頃的耕地地層下陷受鹽害,影響範圍從彰化到臺南,在這些地方耐鹽的品種就能派上用場。

那現在最熱門的「基因編輯」呢?余淑美表示基因編輯的厲害之處,就是可以有效精準改變與改進基因,而且沒有外來基因,能夠提升消費者的接受度,她的實驗室也已經在做,但基因轉殖依舊是最能解決糧食問題的育種方式。余淑美認為,有機與基改其實訴求一致,都是要避免化肥跟農藥過量傷害環境與人體,尤其在臺灣每公頃農藥用量為亞洲第一的情況下,其實更該反思現行農法的問題。或許隨著教育、科普、跟糧食危機逼近,社會對基改作物的接受度也會逐漸提升吧!「我們家的豆腐都是挑基改的買喔!」她笑著說。

不斷前行的步伐與堅定的意志

除了力挺基改食材,身為研究糧食作物的生物學者,余淑美還有別的堅持,例如自己做飯。

「孩子小時候我都給他們每天帶便當。我雖然很忙,沒辦法幫他們做很多事,可是有些事情我很堅持。」余淑美回顧自己剛回國時的生活:兒子才滿月,女兒也只有兩歲,與先生趙裕展(同為中研院分生所研究員)互相配合,例如自己下午五點下班回家做飯,晚上八點回辦公室,換先生回家陪小孩,然後到十點換她回家顧小孩,輪到先生回辦公室繼續工作到十二點。

不過難以想像的是:回國 33 年,這般勤奮竟然一直延續至今!兩人如今還是每天早上九點半到辦公室,晚上抽空回家做飯、然後又回到辦公室,近半夜十一點半才回家。真的是連學生都不得不努力了。

「我小時候媽媽身體非常不好,我從小學一年級開始就要做很多家事,洗衣燒飯。冬天很冷,屋瓦上都會結霜,還是要到溪邊去洗衣服。」也因此,即使研究工作再忙再累,余淑美或許早已習慣,做事極有效率。身為家中老大,下有三個妹妹、一個弟弟的長女,成長的年代也曾感受過被視為「賠錢貨」的社會氛圍。負面的刻板印象反而刺激了她,讓她更努力,要讓所有人看見女生可以做得跟男生一樣好。

攝影/呂元弘

2014 年,得到第七屆「傑出女科學家」的肯定,余淑美因此多了許多到高中女校演講的邀約。她總是以自身為例,鼓勵學生要衝破家庭與學校教育給他們的窠臼,就像她父親告訴她的:想要唸、可以唸就往上唸,沒有一定要幫家裡賺錢或是早點出來工作。而當了母親的余淑美也總是鼓勵一對兒女盡量接觸各種興趣,自行探索方向。

就算在原本的路上撞了牆,或是想換條路走,余淑美也覺得沒什麼關係,但她建議學生要把握原有的基礎,在那之上學習新東西,才能為自己加分。「因為這種跨領域的人才其實更少,在這麼競爭的環境下,更可以凸顯你的能力。」她表示。

相較於其他科學領域,生命科學領域堪稱性別平衡,以余淑美所在的中研院分子生物研究所來說,男女比就幾乎各半,工作領域也無同工不同酬的問題。另外她認為,相較於美國女性婚後大多冠夫姓,臺灣沒有這情形,算是很不錯。

不少女性研究者在家庭裡負擔較多的工作,例如照顧長輩跟小孩,她認為的確比較辛苦,也因此另一半非常重要。她就有一些學術領域的朋友,因為先生跟家庭不太能諒解她們長時間待在實驗室而起衝突。她自己分析,即使生命科學領域女性跟男性比例平衡,但有許多女性未婚或沒有生育;若是成家有小孩的,另一半也幾乎都是學者,比較能體諒研究者的需求。由於分子生物領域非常重人力,進行各項精細實驗皆仰賴研究者的細心與耐心,加上也不太耗體力,她認為很適合女性。然而在她的學生當中,也會有女學生遇到職涯與家庭的兩難考驗。余淑美當然會予以鼓勵,但若她們仍舊放棄,在尊重其決定之餘,有時也不免覺得可惜。她認為每一個人都應該有權利追求自己的興趣,人生才有意義,但仍需要一定的幸運。

如今帶領多國學生的余淑美,笑著說實驗室像是聯合國一樣,巴基斯坦、印度、越南等許多南亞與東南亞國家的學生紛紛慕名而來,一方面是因為在這些國家,稻米是很重要的作物,他們也覺得很有發展前景,另一方面,她說,因為臺灣的學生想研究農業科學的越來越少了,因此國際學生佔比就不斷提高。

「我很喜歡手機定時欸,可以訂好多不同的時間提醒我。」在跟我們分享她怎麼安排每天的工作時間與指導學生的節奏時,余淑美眼睛一亮地冒出這麼一句話,讓人覺得十分可愛。這句單獨聽起來一點也沒什麼的話,放在脈絡裡,其實是這位頂尖科學家 30 多年來日復一日、研究、教學、與服務不歇的證據。不論是在對基因轉殖的認識、採納上,還是對農業與糧食安全的體悟上,或許臺灣還需要一些時間趕上她的腳步,只不過,到時候余淑美肯定又已經走得更前了吧!

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

水稻基因改造的專家!中研院余淑美院士-第七屆台灣傑出女科學家獎得主/YouTube

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15 周年而規劃,泛科學企劃執行。

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IPCC最新氣候變遷報告說了什麼?更熱的地球與更脆弱的人類
台灣科技媒體中心_96
・2022/03/03 ・3926字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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氣候變遷衝擊面向更廣,台灣準備好了嗎?

正當全球關注俄羅斯與烏克蘭的戰事發展時,昨(2/28)日聯合國氣候變遷專門委員會(IPCC)發布了最新氣候變遷第六次評估報告第二冊《衝擊、調適與脆弱度》(AR6 Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability),再次呼籲各界積極應對氣候變遷衝擊,並立即展開應對政策與調適行動。

該重量級報告指出,人類活動引起的氣候變遷現象,已在世界各地造成極大負面衝擊與不可逆的環境危機,危及大量的陸地與海洋物種生存,目前已有多達 33~36 億人口生存在易受氣候變遷衝擊的脆弱環境中,且氣候變遷影響不僅止於生態物種,更危及人類社會的糧食、水資源、都市及健康問題。

台灣多位專家隨之呼籲,許多過去未被注意到的風險,如心理健康、土木工程都可能遭受衝擊,台灣應重新盤點、反思各領域可能的衝擊與調適策略,以因應不斷變動的氣候變遷衝擊。近年當紅的「自然解決方案(Nature-based Solutions, NbS)」,也首次被納入 IPCC 科學報告,值得相關當局關注。

為協助台灣社會掌握最新氣候發展脈動,台灣科技媒體中心偕同財團法人台達電子文教基金會,於報告發表隔日公開本次報告完整的決策者摘要(SPM)中文翻譯,以及台灣專家回應觀點,協助相關單位制訂更適切的氣候變遷調適策略。

這份重量級報告指出,人類引起的氣候變遷,已在世界各地造成極大負面衝擊與不可逆的環境危機。圖/envato elements

第六次報告強調的重點為何?

台灣科技媒體中心舉辦記者會,邀請台灣大學生物環境系統工程學系教授童慶斌、中央大學水文與海洋科學研究所教授李明旭、銘傳大學都市規劃與防災學系副教授石婉瑜解析這份重量級報告。這份報告是整個第六次評估報告(AR6)中的第二份,關注氣候變遷造成的衝擊、風險與人類的調適發展。

IPCC 再次呼籲,應對日益增加的氣候變遷風險應即時行動。相較於第五次評估報告,本次更強調,只要升溫超過攝氏 1.5 度,對生態或是人類系統的風險將大幅升高;而且升溫越多,人類將越無法調適。

童慶斌回應報告提到的風險,指出我們應該找出具有一致性與標準性的國家評估方法、建立可靠的科學證據;並根據 AR6 氣候情境,來評估台灣未來氣候變遷下的危害地圖,才能依此做出好的調適。同時標準化的評估方法,有助於不同層級、部門一起協力,建立夥伴關係,應對個別部門很難單一處理的跨領域風險。進一步形成跨部會、跨層級的公私協力夥伴關係,並考量永續發展目標。

童慶斌也提醒「衝擊與調適」在不同部門之間可能互斥,也可能互利。例如農業部門、民生部門、工業部門都會同時面對缺水問題,目前遇到這個問題,台灣是將農業用水調給民生工業部門,但這會與糧食安全互斥。另一面向,當我們面對淹水的問題,處理好淹水也會同時減少病媒蚊滋生的環境,與公共衛生領域共利。

李明旭則指出,這次報告與第五次評估報告的最大差異,是強調全球暖化超過攝氏 1.5 度將產生的額外嚴酷風險。報告特別提醒調適與減緩之間,需要更好的權衡,並避免導致「不適當的調適」,而不適當的調適可能在解決一個氣候風險問題之後,產生新的衝擊問題,甚至進入高脆弱度、暴露與風險的困境。

這次報告強調全球暖化超過攝氏 1.5 度將產生的額外嚴酷風險。圖/envato elements

6個氣候變遷即將帶來的衝擊

1. 從氣候變遷觀察到的衝擊:

人為引起的氣候變遷,包括更頻繁、劇烈的極端天氣事件,對自然和人類造成廣泛的負面影響,且其造成的衝擊,可能超過人類與自然可調適的範圍。

a.     生態方面

全球評估大約一半的物種已經向極地或更高海拔的地區移動。極端高溫造成數以百計的物種損失,以及陸地及海洋大規模生物死亡的事件。有些生態損失是不可逆的,例如已滅絕的物種;有些衝擊接近不可逆的狀態,例如冰河退縮導致的水文變化。

b.    人類社會

(a)  糧食與水的安全首當其衝。中低緯度地區受到較大的負面衝擊,致使數百萬人面臨嚴重糧食不安全。水產養殖與漁業也受到負面影響。

(b)  人類身體與心理健康的不利影響。例如:極端高溫導致人類死亡、提升發病率;擴大病媒蚊傳播範圍;極端天氣事件造成心理創傷等。

(c)   在城市中,主要的衝擊集中在經濟與社會弱勢的居民。此外關鍵基礎設施,如交通、水、能源系統,也正在受到極端天氣事件的影響。

報告中觀察到,全球評估大約一半的物種已經向極地或更高海拔的地區移動。圖/envato elements

2. 生態系統與人類的脆弱度和暴露:

a.     生態

全球僅不到 15% 的土地、21% 的淡水、8% 的海洋屬於保護區,且多數保護區缺乏降低氣候變遷影響的管理制度。預計世界上大部分的森林、珊瑚礁和低窪沿海地區,會受氣候影響而退化或損失。

b.    人類社會

大約 33-36 億人生活在極易受到氣候變遷影響的環境中。西非、中非、東非、南亞、中南美洲、小島嶼國家、北極地區是人類高度脆弱的熱點。

大約 33-36 億人生活在極易受到氣候變遷影響的環境中。圖/envato elements

3. 近期(2021-2040)風險:

在近期全球升溫就可能達攝氏 1.5 度,將會造成多種氣候災害增加。在近期自然和人類系統的氣候風險,取決於脆弱度與暴露程度,而非排放情境。與暖化加劇的情境相比,將升溫限制在1.5度可以大幅減少自然和人類的損失,但不能完全消除。

4. 中長期(2041-2100)風險:

2040 年後,氣候變遷的風險與全球暖化的程度高度相關。

a.     生態

估計在全球升溫攝氏 1.5-2 度間,生物多樣性熱點地區的特有物種的滅絕風險至少翻倍;如果升溫幅度為攝氏 1.5-3 度,則至少增加 10 倍。

b.    人類社會

在中長期所有評估中,暖化程度越高,可使用的水資源風險及水有關的危害程度越大;糧食生產和取得的壓力增加;熱浪的暴露人口持續增加;城市、關鍵基礎設施的風險增加,預計如果全球平均海平面相較於 2020 年上升 0.15 公尺,遭受百年一遇洪災的人口會增加 20%。

5. 氣候變遷的衝擊與風險越來越複雜、越來越難以管理。

多種氣候災害同時發生,且氣候與非氣候的風險交互作用,將導致新的衝擊與風險。

6. 暫時超出攝氏 1.5 度的風險:

目前的推估模型對於這個路徑的評估有限。但暫時超過攝氏 1.5 度仍會造成部分低恢復力的生態系統,如極地、山區、沿海生態系不可逆的影響。

我們該如何提高氣候韌性?

報告中,針對氣候韌性提出四大重點:

  1. 各個國家地區基於資源、脆弱度、文化價值的差異,選擇不同的排放情境,導致實現氣候韌性發展的機會之窗正在迅速縮小。
  2. 當政府、民間社會和私部門做出以減少風險、公平和正義為優先的發展選擇,且決策過程與資金都有跨部門的合作,最可能實現氣候韌性發展。
  3. 鑑於氣候變遷對生態系統與生物多樣性的威脅,保護生物多樣性與生態系統,是發展氣候韌性的基礎。
  4. 毫無疑問,氣候變遷已經擾亂自然與人類系統。未來十年採取的社會選擇與行動,決定了在中長期路徑上氣候韌性的高低。重要的是,如果當前不迅速減少溫室氣體排放,特別當升溫超過攝氏1.5度,氣候韌性發展的前景,將會越來越有限。

李明旭認為,這份報告不斷提到「包容式的治理過程」,強調資訊公開、決策透明。同時需建立夥伴關係、減少調適的軟性限制,透過政策工具與組織制度,建立促進調適發展的重要基礎。同時這次的報告強調「未來十年,人類的行動將會決定未來我們要面對多少風險」,且與 2030 永續發展的目標緊密扣連。

石婉瑜提到與過去相比,AR6 採用新的框架評估與討論氣候風險。從人類社會、自然生態與氣候,三個系統的依存關係與交互作用,尋求達成氣候韌性的方法。石婉瑜指出,傳統的系統經常造成「不永續」與「氣候變遷」,因此這份報告強調人類與生態系統的永續、公正轉型,以及各種系統的創新轉變。

圖/envato elements

石婉瑜強調都市化是全球的趨勢,全球大部分的人口居住在都市中,而越來越多的城市暴露在高氣候風險之下,因此「城市」的氣候科學與調適已經是 IPCC 的關注焦點。石婉瑜認為報告中所指不當調適、災害風險不均、氣候正義問題,值得決策者重視,且須納入各類知識與族群參與規劃。此外以生態系統為基礎的「自然解方」,首次被納入 IPCC 報告的城市調適策略,未來台灣規劃調適策略與氣候韌性路徑時,也應列為核心考量。

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