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破解基因功能,創立臺灣水稻突變種原庫──「水稻教母」余淑美

研之有物│中央研究院_96
・2020/08/17 ・3361字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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

2012 年當選第 29 屆中研院院士的余淑美,以水稻基因研究享譽國際,成就包括:全世界利用農桿菌轉殖水稻基因的第一人、建置「臺灣水稻突變種原庫」、探討植物缺糖或缺氧等抗逆境發育的分子機制 ……,歐美日等國際專利更達二十多項,讓臺灣水稻研究在國際舞台綻放光采!一起來聆聽「水稻教母」余淑美院士的故事。

「這是真的植物,看不出來吧?」余淑美指著辦公桌角落生長旺盛的鱗毛蕨盆栽,自豪地說:「很多人都以為是假的,你看我養得多漂亮!」

她是中研院院士,撐起臺灣水稻基因研究的一片天,讓臺灣水稻研究在國際舞台上發光又發熱。但一說起自己養的植物,眼底仍閃爍如孩童般熱情光芒。

余淑美的祖父母、外祖父母都務農,童年總在稻田間奔跑嬉戲,對於水稻有一份特殊的感情:「稻田一年四季有豐富的變化,看到一片一片的稻田就非常愉快。」現在,水稻更成了她一輩子研究的對象。

余淑美,中央研究院院士、分子生物研究所特聘研究員,以研究水稻基因而聞名,在學界素有「水稻教母」之譽。
圖片來源│余淑美

既然考上北一女就去唸吧!余爸爸埋下的關鍵種子

1952 年次的余淑美,出生於臺中鄉間。在那個「重男輕女」的年代,傳統家庭認為女孩子沒必要接受教育,早點工作賺錢才實際,更何況她是家中的長女,打七歲起就要幫忙母親照顧弟妹,包辦所有家事,還得挑菜到街上叫賣,貼補家用。

但余淑美成績一直很好,國中畢業後,同時考上了北一女和臺北商專。但顧家的她暗自打算:「如果唸商專,畢業之後很快就能找到工作吧。」一心想幫忙分擔家計的余淑美打算選擇商專,放棄高中。

余淑美(右一)小學六年級與弟妹合照。她是家中的長女,打七歲起就要幫忙母親照顧弟妹,包辦所有家事。
圖片來源│余淑美

所幸,余淑美的父親認為不管男生女生,受教育都很重要。雖然他承擔著一家七口的生活重擔,卻鼓勵她:「既然考上北一女,為什麼不去唸,將來好考大學?」

在父母親的支持下,余淑美自己也爭氣,成為全家族第一個讀大學的人,余爸爸實為臺灣水稻基因研究埋下關鍵種子。

由植物病蟲害轉行,踏入分子生物新世界

但在研究水稻基因前,余淑美其實是一位植物病蟲害學家,直到博士班畢業後才毅然「轉行」。

在臺灣中興大學完成大學和碩士學業之後,余淑美赴美留學,攻讀博士學位,此行為她開啟國際級的研究眼界。1984 年,她博班畢業,正值分子生物學興起,余淑美洞察這是將來的主流趨勢,毅然決然從傳統植物病理學「轉行」到分子生物學。

但這一轉,她幾乎整個打掉重練!余淑美來到紐約冷泉港實驗室以及羅徹斯特大學生物系擔任博士後研究員,從最簡單的分生技術學起,一步一腳印,緩緩走進分子生物學的新世界。

1988 年,她加入康乃爾大學吳瑞教授的研究團隊,正式開始三十年的水稻基因研究長征。吳瑞教授的實驗室是當時全世界水稻分生研究的第一把交椅,發展出利用基因鎗轉殖水稻的技術,啟蒙余淑美在水稻分子生物學的研究方向,直到如今。

吳瑞教授(1928~2008 年)是中研院第 14 屆院士,於 1989 年回臺灣擔任中研院分生所籌備處主任,1998 年也協助成立中研院生物農業科學研究所(現在的農業生物科技研究中心)。
照片來源│余淑美

為什麼要研究水稻基因?世界人口急速增加,耕地不增反減,再加上氣候變遷,傳統的作物雜交育種和栽種方式已經跟不上人口的增長,只能靠基因轉殖、農業生技才能餵飽全世界。

吳瑞院士致力於以基因轉殖提升水稻抗逆境的能力、增加產量,造福家國世界,是余淑美心中的典範。

對抗糧食危機,水稻基因研究成為下一代農業科學的必然之路。

因此 1988 年底,當余淑美返臺到中研院工作,仍以水稻基因為一生懸命的研究主題。

破解水稻基因,創立臺灣水稻突變種原庫

2000 年左右,由日本主導的「國際水稻基因體定序計畫」已進行得差不多了(臺灣負責第 5 條染色體的定序,主要由中研院植物暨微生物學研究所負責),接下來研究的主流便是破解水稻的基因功能。

「以一本字典來比喻,先把所有的英文單字照字母次序排列起來,知道有 apple、book 這些字,但是還不知道這些字是什麼意思,」余淑美解釋:「接下來就是要註解出 book 是書、apple 是蘋果,字典才算完成。」

基因定序,就是要把所有基因在染色體上的位置及次序正確訂出,如同在一條街上每間房子的門牌,每個基因都有一組「門牌號碼」。

水稻基因定序後,接下來就要研究每個基因有什麼功能,怎麼運作,如何調控生物發育與行為。如此一來,水稻基因體這本「字典」才真正完成。

為此,余淑美說服當時的中研院院長李遠哲及副院長陳長謙,爭取經費和空間,勞心勞力整合國內各個單位,改良她與學生詹明才博士(現為中研院農生中心研究員)開發的農桿菌轉殖技術,建立「臺灣水稻突變種原庫」。

這個種原庫不但成為國際水稻基因功能研究的重要資源,提升了臺灣農業生物科技的國際地位,她也因此獲得蓋茲基金會的青睞,獲邀參與「國際 C4 水稻計畫」(請見研之有物另一篇好文「打造超完美稻米,餵飽全世界!余淑美與國際 C4 水稻計畫」)。

成功的祕訣:能力、興趣加上努力

回到臺灣做研究三十多年以來,余淑美已找到二十多種讓水稻抗逆境、提高產量的重要基因,成就斐然。說到成功的祕訣,她認為:「每個人際遇不同,適合不同的工作。除了能力之外,要有興趣,然後一定要努力,」她歸納說:「能力、興趣加上努力,一定會成功。」

在努力打拚的時候,要用心、細心、有耐心,她叮嚀說:「用心就是把心思聚焦在工作上,細心就是不能出錯,耐心就是不怕困難。」

至於「性別」是否會造成限制?尤其孩子仍小的時候,她如何兼顧家庭與事業?獲頒最佳創意女科學家獎、臺灣傑出女科學家獎的余淑美認為,首先歸功於一位尊重她的專業、也能與她分工的先生—中研院分生所趙裕展研究員。余淑美笑著說:「孩子小的時候,我們常常就是輪流回家照顧,讓另一個可以進研究室工作。」

環顧四週,櫃子上還擺著全家福照片,牆上掛著女兒小學時期的畫作,抽屜裡存放著一疊女兒兒時手繪、自己影印發行的刊物。一問到孩子,余淑美的驕傲溢於言表:「兒子現在在舊金山的 Google 當工程師,女兒在倫敦是微電影、3D 動畫導演暨美術指導,還擔任前年(2018 年)台灣金鐘獎的視覺創意統籌 ……」過去常常在研究室晃悠的一雙兒女,如今已展翅高飛,開創自己的天地。

2018 年夏天,余淑美全家至加拿大與美國邊境的小鎮 Niagara-on-the-Lake 旅行,照片中為先生趙裕展 (中)、兒子(左二)、女兒(左一)、媳婦(右一)。
圖片來源│余淑美

從辛苦的童年、異鄉奮鬥的青年、事業與家庭兩頭燒的中年,直到如今成就斐然,箇中辛苦實難對外人盡言。最後,余淑美希望能以自己的例子來勉勵女性學者,不要自我設限,務必專注在自己的目標上:

努力的時候,不要去想自己是女性,一切就是靠實力!

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《「努力時,不要想自己是女性!」水稻教母余淑美》,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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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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