打造超完美稻米，餵飽全世界！余淑美與國際 C4 水稻計畫

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文／寒波
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

80 歲高壽的分子演化學家

您知道中央研究院有位相當低調的遺傳演化學大師嗎？此人開創了許多分子演化的數學分析方法，他就是生物多樣性研究中心的特聘研究員李文雄院士！數學是李文雄用來描述生物演化的工具，用 DNA 序列計算分子時鐘是他的重要貢獻。至今 80 歲高壽的李院士，是國內唯一獲得巴仁獎榮譽的得主，不僅培育眾多學生，並且依然在最前線探索未知。中研院「研之有物」專訪李文雄，邀請他分享在美國與臺灣的學研經歷及主要研究成果。

用數學在演化生物學領域開疆拓土

李文雄身為世界首屈一指的分子演化學家，也是經典教科書的作者，學分子演化的人肯定讀過他的書或論文。不過讓年輕學子們驚訝的是他大學就讀的科系，其實和生物及數學沒有直接關係，而是中原理工學院（中原大學前身）土木系。

李文雄表示，當年資訊閉塞，他像同學一樣照著聯考分數填志願，就這麼進了土木系。讀到大二接觸專業科目後，確認土木不是想要念的學門，便考慮投入數學或物理領域，又以數學比較得心應手。可惜他沒有考上數學碩士班，倒是考進了中央大學地球物理研究所。拿到碩士之後，李文雄更加確定比起物理，自己更適合念數學。

早年臺灣的進修資源很有限，李文雄選擇赴美深造，就讀布朗大學的應用數學博士班。當構思論文題目時，他想要找一個還沒有人用數學深入探討的領域，以便發揮所長。那時日本出身的遺傳學家根井正利（Masatoshi Nei）正好轉到布朗大學生物系授業，李文雄與他討論後，決定帶著數學專長投入尚待開拓的生物學，就此開啟 50 年輝煌的研究生涯。

李文雄在博士班前的求學之路，可以說比其他人多走了好幾步，但也練就了深思熟慮的精準眼光，「Make right choice!」是他學到最重要的能力。用數學來探討生物學，即為他一生最好的抉擇之一。

轉換跑道到生物學，李文雄幾乎沒有遇到太多困難，即使他是在博二暑假才開始學遺傳學，但數學好的人在群體遺傳學領域有些優勢，他受到師長賞識，只花費兩年就完成博士論文，再經歷一年威斯康辛大學麥迪遜分校的博士後研究，1973 年李文雄便前往德州大學休斯頓分校擔任助理教授，因為恩師根井正利在一年前已搬去那裏。

「分子演化」探討微觀的生物演變

分子演化（molecular evolution）和我們一般認知的演化有什麼不同？生物以 DNA 承載遺傳訊息，基因又會產生蛋白質。分子演化學簡單說來，是以 DNA、蛋白質這類遺傳資訊探討生物隨時間演變的學問。

分子演化學在 1960、1970 年代，木村資生（Kimura Motoo）、威爾森（Allan Wilson）等前輩主要是以蛋白質序列作材料，由於蛋白質定序很慢成本也高，李文雄並沒有跟風投入研究。直到後來桑格（Sanger）的 DNA 定序方法 1977 年問世後，陸續有 DNA 資料發表，李文雄認為時機已到，便全心擁抱分子演化學的新天地，大獲成功，成為引領潮流的先驅者。

李文雄開始研究分子演化時已經有電腦，但當時還是卡片打孔的時代，計算過程相當繁複，不像現在有各種套裝軟體可以做數學統計分析。值得一提的是，今日相當受歡迎的分析軟體「MEGA」（Molecular Evolutionary Genetics Analysis），便是恩師根井正利與弟子們一起開發而成的。

在詳細講分子演化之前，我們還是先來複習一下遺傳學吧！

基因編碼以三個核苷酸為一組密碼子，並對應一個氨基酸（蛋白質的基本單位）。DNA 有 A、T、C、G 四種核苷酸，可以形成 64 種組合，而氨基酸只有 20 種，所以有些氨基酸對應兩種以上密碼子。

因此改變 DNA 的核苷酸，有時候不會改變氨基酸，此時稱為同義突變（synonymous mutation）；有時候會改變氨基酸，此時稱為非同義突變（nonsynonymous mutation）。比較 DNA 序列和胺基酸序列變與不變之比例，就能大約估計天擇力量的影響，推測天擇是傾向去除突變還是選擇突變。這是分子演化常見的分析之一，李文雄的實驗室開發了數個被廣泛應用的分析方法。

在分子演化興起前，不同生物間的親疏關係，可以透過生物形態的相似程度建構演化樹，但形態資料很有限。比較生物 DNA 或蛋白質的資料，可以細緻地釐清物種間的親緣關係，對分類學的貢獻很大。

比方說早期演化學家會比較一群鳥類的嘴喙特徵，兩種鳥喙的形態差異較小，便代表其親緣關係較近；而分子演化學家則是比較這群鳥類的 DNA 或蛋白質序列的差異，更能釐清彼此的親緣關係。

形態是巨觀的，分子是微觀的。但我們也可以說每一處 DNA 或氨基酸位置都相當於一種形態。分子資料通常更容易取得，可提供比較的特徵數量也比形態還多很多，更容易計算。

現今探討親緣關係，最好能考慮不同材料，有多重證據的支持，因此分子演化的分析方法就相當重要。李文雄在親緣樹建構及統計評估的方法上有重要貢獻。

李文雄回憶，他的好朋友古德曼（Morris Goodman）當初便靠著分子生物學的方法，釐清人類和黑猩猩（chimpanzee）的遺傳親緣關係，要比和大猩猩（gorilla）更近，解決了爭議了數十年的「大猩猩—黑猩猩—人類的三角問題」，是一大貢獻。

大師傳承的軌跡：中性演化和分子時鐘

今日分子演化之所以和 50 年前有很大差別，其中就有來自李文雄的重要貢獻。李文雄建立了數學方法讓「分子時鐘」（molecular clock）理論得以實際應用至生物演化的分析。

分子時鐘的概念是：DNA（或蛋白質）序列的演化以等速進行。如果這個假設成立，則透過兩個物種之間 DNA 序列的差異，就可以估計分化的時間。也就是以分子的變化量為時鐘來計算這兩個物種分離後時間的流逝。

之所以可以這樣假設的基礎，是生物在一代代傳承下，由於突變之故，遺傳序列不斷累積新的變化，稱為「取代」（substitution）；而取代的數量正比於世代數，例如每一代新增 5 處取代，差異 50 處便可回推經過 10 代。

然而，這假設與傳統達爾文的天擇概念有很大的出入；因為分子時鐘這樣假設的意思就是說：大部分突變不會影響天擇，對生存競爭的影響可謂中性（neutral）。上述觀點也就是根井正利和李文雄的前輩：木村資生提出的「中性演化理論」。

木村資生認為，大多數遺傳分子的改變未必和天擇有關，個體間的遺傳多樣性往往是隨機變化的結果。當初這個論點引發很大爭議，後來又經過許多改版與補充，如今中性演化的觀點已被許多學者接受，分子層次的遺傳變異，常常不影響其天擇；新突變取代舊的遺傳訊息，未必是因為其有利於生存競爭，也常常只是運氣好而已。

中性演化理論提供了分子時鐘的理論基礎，帶來許多突破。例如受到注目的智人（Homo sapiens）起源問題，於 1980 年代根據各地人群間的遺傳差異程度，判斷歐亞人與非洲人分家只有數萬年，而非多地智人起源論主張的上百萬年，這便是「單地起源，智人出非洲說」的有力證據。

李文雄自己在 2000 年代初期也指導博士生陳豐奇（現職為臺灣國家衛生研究院的研究員），比較人類與人猿非編碼區的 DNA 序列，便估計出人類與黑猩猩分家約 600-700 萬年。

李文雄在 1980 年代的一關鍵貢獻就是，率先用 DNA 序列評估分子時鐘的正確性，發現取代的速度並非等速。他證明分子時鐘運行的速度和世代長短有關：世代愈短，時鐘愈快。例如大鼠、小鼠的世代比人類的世代短得多，而牠們之間演化的速度，也是人類與人猿間的大約 5 倍。此一發現有助於更準確地估計兩個物種間的分家時間。

李文雄另一重大發現是，同一物種的兩性之間，生殖細胞的突變速度可能不一樣，男比女快。這在生物學上的理由是：生殖細胞的複製及分裂次數不同。女生的卵在出生前便已儲備好了，而男生的精子則是一輩子持續複製，所以男生生殖細胞的突變速率比女生快。

關於同一物種的性別演化差異，李文雄表示這是前輩霍爾丹（J. B. S. Haldane）提出的觀點。李文雄設計好 DNA 定序區間及物種，產生適合材料，於是就驗證了此假說。雖然講起來雲淡風輕，但若讀者了解遺傳學發展史應該會深受震撼，因為霍爾丹正是奠定族群遺傳學的三大名家之一，從霍爾丹到李文雄，我們可以看見大師傳承的軌跡。

遺傳與演化學最高榮譽：巴仁獎

靠著數學和分子生物學的分析，李文雄解決了許多演化生物學的難題。比如，他在 1991 年就以很有限的人類 DNA 序列資料，預估人類的 DNA 多樣性低於 0.1%，比果蠅的低不少，十年後大量的資料證明他的預估是正確的！還有，在 2001 年當黑猩猩的基因體資料還很有限時，他就預估出人類與黑猩猩的基因體相差只有 1.2%，這個預估引起很大的震撼，因為人類與黑猩猩看起來很不一樣，但當黑猩猩的基因體於 2005 年發表時，得到的答案與李文雄的預估完全一樣！

承上，李文雄陸續受到各界肯定，他於 1998 年被挖角到芝加哥大學擔任 George Beadle 講座教授（Beadle 為一位諾貝爾獎得主），並當選中研院院士。2003 年更獲得兩項重大榮譽：美國國家科學院院士和巴仁獎（Balzan Prize for Genetics and Evolution）。

要成為美國國家科學院的院士並不容易，對學者而言是極大的榮譽。例如：以中研院為例，最近的三任院長廖俊智、翁啟惠、李遠哲；以及超導物理學家吳茂昆、公衛學家陳建仁、經濟學家朱敬一、植物學家蔡宜芳等，每一位都是該領域世界級科學家。

獲頒巴仁獎則更為難得，李文雄是史上第三位得獎的遺傳與演化學家，也是第一位亞洲出身的巴仁獎得主。巴仁獎從 1978 年以來獎勵人文、哲學、物理科學、生物科學，或促進和平的傑出人士或組織。對演化學家來說，巴仁獎就是遺傳與演化學的最高榮譽。

李文雄獲得巴仁獎時的引文如下：

「李文雄對分子演化做出了許多基礎性的貢獻。他開發並應用了數學技術來解決非常廣泛的問題，他的方法是屬於該領域最常用的方法。

隨著 1980 年代以來 DNA 序列數據的爆炸式增長，李文雄一直是通過比較 DNA 序列來推斷演化關係的方法的設計師。他在建立估計演化樹的準確程度和可以放在其中的統計置信度的方法方面特別有影響力。

以往解釋 DNA 數據的一個關鍵假設是 DNA序列的變化在演化時間上以恆定速率進行（所謂的分子時鐘）。該假設常被用於估算譜系分歧的時間。1980 年代，李文雄第一個證明分子時鐘的運行速度取決於世代的長短：世代越短，時鐘越快。因此，時鐘在大鼠和小鼠之間的演化速度是猴子和人類之間的演化速度的五倍。這一發現有助於更好地估計兩物種的分歧時間。

李文雄在證明 DNA的突變率在男性生殖細胞高於女性生殖細胞的工作也很有影響力。他已經在包括人類在內的高等靈長類動物以及囓齒動物證明了這一點。

除了開創性研究外，李文雄還在分子演化領域的教育上 扮演一核心人物。他的書被認為是該領域的權威。」

在獲得巴仁獎的遺傳及演化學家之中，第一位為 1984 年得獎的萊特（Sewall Wright，美國人），與前述提及的霍爾丹，同為族群遺傳學三大開創者之一；第二位則是 1991 年英國的梅納德史密斯（John Maynard Smith），再來就是 2003 年的李文雄。生物科學包含那麼多領域，遺傳及演化大約十年才得獎一次，讓李文雄覺得這項肯定十分難得。

李文雄的成就受到芝加哥大學的肯定，在 2004 年為他設立 James Watson 講座教授（Watson 以雙螺旋 DNA 模型得諾貝爾獎，是一家喻戶曉的名字），並提供研究資源。然而，過了四年之後，李文雄決定回到臺灣，提攜後進。

回歸臺灣，培育後進

2008 年，李文雄終於回到這塊多年成長的土地，擔任中研院生物多樣性研究中心的主任。除了自己的研究外，他特別重視兩件事：首先是和臺灣師範大學合辦「生物多樣性國際研究生博士學位學程」，在臺灣本土培育新生代的研究人員。

再來他號召成立「臺灣演化與計算生物學會」，成立的初衷是因為李文雄覺得臺灣研究演化的人不多，希望讓演化、生物資訊領域的人集中起來交流，尤其是讓年輕的研究者有練習發表的舞台，增加被認識的機會。擔任兩屆理事長後，李文雄交棒給臺灣大學的丁照棣教授，以及陽明交通大學的黃宣誠教授。

學會在李文雄奠定的基礎上持續前進，2012 年開始年年舉辦國際研討會，除了邀請外國學者參加，也會特別安排新進學者演講的場次，至於博士生、博士後，則設有專屬的口說與壁報比賽。另外為了兼善臺灣各地，年會舉辦的地點一年在臺北，另一年在臺北以外輪流，包括高雄、臺南、臺中、苗栗等地，展現兼顧不同區域的用心。

李文雄也鼓勵大家，多參加不同的研討會與加入學會。獲取新知對做研究的人相當重要，參加活動多看多聽多交流，都是寶貴的機會，不只能增加知識，有時候也能獲得他人幫助，有助於自己的研究。

回到臺灣以後，李文雄除了指導學生，本人依然站在研究的第一線，而且兼顧學術與應用的方向，合作對象眾多，議題包括鳥類羽毛的發育演化、微生物固氮作用的起源與演化，還有開發 C4 水稻（水稻是 C3 植物，希望能改造為光合效率更好的 C4 型態）等等。

近期值得一提的是，李文雄與合作團隊發表在分子演化頂級期刊《Molecular Biology and Evolution》的研究。他們探討新冠病毒棘蛋白（spike protein）的受體蛋白 ACE2 的演化，發現一些非人類的靈長類動物，有大量降低親和力的 ACE2 突變，讓這些猴子的 ACE2 不容易和病毒的棘蛋白結合，因此對病毒有很強的抵抗力。又發現有少數人的 ACE2 也帶有會抵抗病毒的突變。李文雄也說，如果人類與舊世界猴子的共同祖先的 ACE2 沒有突變成與棘蛋白更容易結合的話，也許新冠病毒就不會造成全球大流行，或是病毒的危害不至於那麼廣、那麼深！

勇於追求「跨領域」研究，尋找新鮮的問題

李文雄入行 50 餘年一直活躍在第一線，作為參與者和見證人，最有資格回答「分子演化學在過去和現在有什麼不同？」。他表示，以前容易找到重要的題目，但是取得資料的速度很慢。現在隨著分子生物學及資訊科學技術的進步，比較容易取得大量資料，資料多就容易找到題目，寫論文不難，內容也會比較豐富。可是期刊的要求也變高，而且比較不容易找到新鮮的議題，如今剩下的題目，多半是舊題目的延伸，或是難度很高。還好，現在科技發展迅速，目前的難題也許在不久的將來，就可以解決！

李文雄還是如年輕時一般，善於尋覓突破機會。像是微生物的固氮作用，無疑是重要的問題，氮是所有生物的必要元素，但只有非常少數的微生物可以固氮！可是從前卻少有演化學者研究這個問題，這就會成為好的題材。

另一方面隨著技術進步，以前難如登天的問題，現在也可能有機會解答。上面提到人類與黑猩猩的 DNA 分歧只有 1.2%，但兩者間的差異除了非編碼區外，也有很多來自基因調控不同的區域，尤其是腦部發育。過去這幾乎是不可能探索的議題，如今難度雖大，卻是有希望解決的難題。總之，在李文雄的視角中，一直都有新鮮的問題。

科學隨著歲月累積，現在入行的新人，必須先具備的知識遠超過李文雄當年，必須勇於追求「跨領域」研究。李文雄建議大家，不論時代如何改變，都要確認自己的喜好與專長，才能有計劃地學習和投入。李文雄以自己為例，他不會做實驗，但為了解決他很感興趣的生物問題，他設立一分子生物學實驗室，拿到了很多實驗資料，進而解決了不少演化難題！

讓李文雄院士印象最深刻的研究是⋯⋯

演化生物學時常有驚奇的新發現。身為世界級的演化大師，李文雄漫長的研究生涯中，對哪件科學發現的印象最深刻呢？

答案十分有趣，竟然是「河馬是鯨魚和海豚最親近的親戚」！

鯨魚、海豚是由陸地回到海洋生活的哺乳類，很難想像牠們在演化樹上的位置很相近。然而，透過 DNA 分子的比對，演化學者發現在現存動物中，鯨豚最接近偶蹄目的河馬。

此外，李文雄認為黑猩猩與人類的差異也相當有趣！威爾森（Allan Wilson）在 1970 年代發現黑猩猩與人類的蛋白序列幾乎相同，雖然它們在外觀與行為上有很大的不同，所以威爾森認為基因調控的演化是造成黑猩猩與人類有不同外觀和行為的主要原因，但到底是哪些基因調控上的不同，至今還是個謎！

最後，李文雄對非洲維多利亞湖（Lake Victoria）慈鯛魚（cichlids）的大量種化現象，也感到非常的奧妙，為什麼在同一個湖泊裡可以演化出這麼多慈鯛魚物種呢？！

投身科學研究 50 多年，取得一項又一項重大成果，李文雄依然由衷保持對新知識的好奇與樂趣。

延伸閱讀

• 中研院生物多樣性研究中心。〈尋找會對抗新冠病毒的人類及其他靈長類的ACE2突變〉。
• 李名揚（2008）。〈從數學出發的生物學大師──巴仁獎得主李文雄〉，《科學人》。
• 涂世宗、邱燕淇（2005）。〈李文雄〉，《十年有成—中大菁英名人錄》。
• Kyoto Prize. (2014). Message from Dr. Masatoshi Nei -The 2013 Kyoto Prize Laureate
• McGowen, M. R., Tsagkogeorga, G., Álvarez-Carretero, S., Dos Reis, M., Struebig, M., Deaville, R., . . . Rossiter, S. J. (2019). Phylogenomic resolution of the Cetacean Tree of life using target sequence capture. Systematic Biology, 69(3), 479-501. 
• Shedlock, A.M. and Okada, N. (2000), SINE insertions: powerful tools for molecular systematics. Bioessays, 22: 148-160.
• The Pennsylvania State University. (2015). Kyoto Prize awarded to Penn State’s Masatoshi Nei
• Tsagkogeorga, G., McGowen, M. R., Davies, K. T. J., Jarman, S., Polanowski, A., Bertelsen, M. F., & Rossiter, S. J. (2015). A phylogenomic analysis of the role and timing of molecular adaptation in the aquatic transition of cetartiodactyl mammals. Royal Society Open Science, 2(9), 150156. 
• University of California Museum of Paleontology. Molecular clocks. Understanding Evolution.

• 本文與台灣科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《英國基因編輯技術 ( 精準育種 ) 法案 新聞稿》
• 資料更新至 2022 年 6 月 24 日，完整文章請見上方連結

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。