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CRISPR帶動新興精準育種:未來糧食市場將產生改變

社團法人台灣國際生命科學會_96
・2020/12/07 ・2638字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 614 ・十年級
  • 文/余祁暐 總監|台灣大學獸醫學系學士、淡江大學企業管理所碩士。現任台灣經濟研究院生物科技產業研究中心總監。曾任國立台灣大學轉譯農學『生技產業潛力及商機』課程、動植物農產業創新教學推動中心『跨領域人才培育課程』及生物資源暨農學院『農業科技創新與產業分析課程』講師,並為農業生技產業資訊網站負責人。

新興精準育種科技在近年崛起,提供研究人員和生產者更快且更精確的作物發展選擇,2020 年諾貝爾化學獎得主的得獎原因也與此有關:使用 CRISPR-Cas9 基因剪刀進行基因編輯,使其能夠抵抗環境災害,並且無殘留外來基因,更加安全無疑慮。台灣對於相關產物尚無管理法規及技術發展計畫,本期 ILSI Taiwan 專欄邀請台灣經濟研究院生物科技產業研究中心余祁暐總監,分享新興精準育種科技的優勢以及國際趨勢,以期讓更多人對此有所瞭解。

種苗為國際戰略物資,是糧食生產的根源與農業永續的基石,而種苗的育種改良更是提升其戰略價值的關鍵。育種科技在近年來基因體技術的發展下,跳脫過去耗時費力傳統模式,透過掌握本身基因功能進行精準育種,新作物育種時間可由 7 至 25 年縮短為 2 至 3 年,新興精準育種科技成為種苗產業發展驅動力,為經濟、社會、環境帶來諸多效益,從 2012 年開始,國際上已有相關成果與產品陸續上市。

以我國近六成消費者認為具政策參考價值國家的日本為例[1],日本政府係透過跨部會討論,凝聚共識並訂定管理作法,讓產學研界有明確依循,不會無所適從而錯失發展機會。

對於新興精準育種科技衍生產品,日本厚生労働省已於 2019 年 3 月公布對於基因編輯食品管理的相關規範,認定基因編輯衍生產品若不含外源基因則視為非基因改造,在日本毋須經過安全審查便可上市。

新興精準育種科技透過掌握本身基因功能進行精確育種。圖/Designed by Freepik

精準育種技術好處多, 提升效率又能滿足多元需求

依據經濟合作暨發展組織 (Organization for Economic Co-operation and Development,OECD) 報告1,新興精準育種科技(含基因編輯等)發展效益包括:

  1. 提升育種效率: 增加新品種開發效率代表可減少投入的資源與時間,並創造更高的研究價值,特別是對於多年生作物及動物的育種可產生更高的效益。專家指出應用基因編輯技術於作物將可使育種時間由 7 至 25 年縮短為 2 至 3 年,而對畜牧動物育種來說最多可縮短至一世代便可培育出所需品種。
新興精準育種科技發展效益具多個面向。圖/Designed by Freepik
  1. 增加農業生產力: 以增加產量、節省農務與資材的投入、抵抗病害、增加對極端氣候的耐受性,進一步增加農民收益,全球目前已應用基因編輯技術開發出許多提升生產力的成果,包括:
    • 提升產量:如提升光合作用效率以提升產量的玉米和黃豆,生長快速的豬、牛、羊、鯉魚,易養殖的鮪魚等。
    • 抵抗病害:如抵抗稻米三個重大病害之一的抗白葉枯病稻米 (Bacterial Blight Resistance Rice) ,抵抗造成小麥減產三成白粉病的抗白粉病小麥 (Powdery Mildew Resistant Wheat) ,抵抗豬生殖與呼吸綜合症 (Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome, PRRS) 的抗 PRRS 豬,減少歐美每年 25 億美元損失,及抵抗全球快速蔓延非洲豬瘟 (African Swine Fever) 的抗非洲豬瘟豬等。
    • 提升環境耐受度:如耐旱、耐寒、耐鹽、耐低氮的黃豆、小麥、稻米、玉米、棉花、油菜、甘蔗、番茄等。
    • 節省農務與資材的投入:如耐除草劑油菜、可用於提升飼料效率的高澱粉玉米葉莖等。
  2. 滿足多元需求: 迎合消費者及生產者的需求,開發各種新品種,包括:
    • 促進消費者健康:如穩定血壓與緩和緊張的高 GABA 番茄、保護動脈和抗氧化的高單元不飽和脂肪酸黃豆 (High-Oleic Low-Linolenic Soybean) 、低麩質小麥、減糖馬鈴薯、及降低油炸致癌疑慮的低丙烯醯胺(Acrylamide) 馬鈴薯等。
    • 增加儲架壽命並減少食物浪費:如抗褐化的蘋果、蘑菇,及馬鈴薯等。
    • 增加食品加工效能:如高支鏈澱粉玉米 (Waxy Corn) 可更容易生產食品穩定劑和增稠劑等。
    • 改善動物福祉:如無需去角的無角牛、減少熱量損失的豬。
    • 提升環保效益:如減少豬場磷排放污染的低植酸飼料玉米等。
    • 提升異種器官移植安全:減少免疫排斥的豬隻器官等。
  3. 促進生物多樣性: 不受一般遺傳機制限制,以更有效率的方式育成新品種,提升物種多樣性。
新興精準育種科技能夠提升育種效率,且滿足多元需求。圖/Designed by Freepik

國際調和管理法規促進發展, 我國應如何因應?

新興精準育種科技為種苗產業的殺手級應用,為經濟、社會、環境帶來諸多效益,以基因編輯技術來說,其精準誘發生物本身特定功能基因發生改變,技術及原理與傳統誘變育種相同,再加上操作容易、成本低廉、非屬基因改造(最終產品無外源基因),國際上已有許多研究單位與中小型企業爭相投入此領域。

新興精準育種科技將成為種苗產業應用主流,足以改變歷史及整個產業規則,進而創造出龐大的新市場,我國若再不積極掌握此機會,不但種苗產業將被淘汰,亦將逐漸喪失農林漁牧戰略物資自主權。

而面對許多新興精準育種科技創新研發成果陸續上市,在產品法規管理上,國際已逐漸凝聚共識。世界貿易組織 (World Trade Organization, WTO) 已有 14 個經濟體於 2018 年 12 月共同發表「國際精準生物技術農業應用的聲明」(包含我國主要農產品貿易國美國、阿根廷、巴西、澳洲、加拿大等),希望能夠透過農業新興技術於各經濟體間的法規調和與合作,進而促進產業發展。

在此種苗育種科技發展趨勢下,我國應制定國家層次發展戰略,支持新興精準育種科技的應用與所開發的產品,除能讓我國繼續維持熱帶/亞熱帶農業科技優勢以取得亞太市場的農業樞紐地位,亦可避免台灣種苗產業競爭力落後而被國際市場淘汰。

在此種苗育種科技發展趨勢下,我國應制定國家層次發展戰略。圖/Designed by Freepik

參考文獻

  1. OECD Conference on Genome Editing: Applications in Agriculture (2018).

註解

[1] 台灣經濟研究院生物科技產業研究中心 107 年度新興生技食品消費者調查,高達 59.3% 消費者認為日本的管理規範具我國政策參考價值。


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社團法人台灣國際生命科學會_96
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創會於2013年,這是一個同時能讓產業界、學術界和公領域積極交流合作及凝聚共識的平台。期望基於科學實證,探討營養、食品安全、毒理學、風險評估以及環境的議題,尋求最佳的科學解決方法,以共創全民安心的飲食環境。欲進一步了解,請至:ww.ilsitaiwan.org


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一生可以聆聽的聲音總量是註定的?戴上你的聽力計算機!

雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/05/17 ・3915字 ・閱讀時間約 8 分鐘
  • 文/黃上維 聽力師|雅文兒童聽語文教基金會

「早上跑了五圈操場,晚上吃個雞排加珍奶應該還好吧……」、「昨天買了一雙限量版精品鞋,這個月就不吃晚餐了……」,生活中充滿算數題,來決定我們的生活習慣與行為,其實,在聽力學領域中,也有類似概念哦!聽的刺激不夠,聽覺系統解析的功能會逐漸衰退;聽的刺激太多,聽覺系統也會感到疲勞或損傷。到底聽多少,才能剛剛好?今天就帶你揭密聆聽的守則。

世界衛生組織(World Health Organization,WHO)統計全球已超過 5% 人口有失能性聽力損失。然而,多數聽力損失可被預防,調查發現將近 50% 的年輕人使用過高的音量聆聽個人音訊設備,約 40% 經常去娛樂場所的人(包括演唱會、運動賽事)則暴露在過久的高音量下[1]。 WHO 為此著手訂定「安全聆聽」的保健策略,如同醫師及藥師給藥時會算劑量,安全聆聽需要計算聲音暴露容許量(sound allowance)。

聽得「過久」或「過大聲」都會造成傷害

聲音是一種能量,基於相等能量原理(equal energy principle),無論能量在時間上的分佈如何,相同聲能的聲音會造成一樣的永久性聽力變化,表示「長時間聆聽較低的音量」會產生與「短時間聆聽非常的大音量」相同的影響。

WHO 提出兩種標準,均以七天作為一周期[2]。當聲音能量加倍(以 3 分貝為級距),容許的時間要減半,如下圖所示,健康成人適用一般標準;「兒童、耳毒性藥物服用史」等對噪音更為脆弱的族群則適用敏感標準,其將風險起始點下修至 75 分貝(dBA)的聲音每周聆聽 40 小時。此外,視障、認知困難者及老年人,考量聽力一旦損失,對其產生的負向影響將更大,也應選用較嚴謹的標準[3]

WHO 聲音暴露容許量。分貝越高,容許時間越少。圖/作者,製作自參考資料 2

聽起來不難嗎?生活中的聲音有多大聲

當我們在身處安靜室內,隔著一張桌子與朋友聊天時,說話音量的分貝就已經有 55-60 分貝(dBA);此時若環境變得吵雜,我們也會不自覺提高說話音量,分貝來到 65 分貝,如此可見生活中的大聲音是無所不在。美國 3M 公司團隊針對超過 1700 種職業、娛樂、社區等噪音源進行實際量測或整理文獻,發表了各項分貝數值[4],本文整理生活常見情境,並將分貝範圍達 75 分貝以上者,標為警示音量。

常見聲音音量分布。淺色底表示範圍,深色底表示平均值。圖/作者,製作自參考資料 4

現在我們來將分貝數對應 WHO 的「成人聲音暴露容許量」,以果汁攪拌機為例,平均音量是 82 分貝,一周應避免超過 25 小時的從旁聆聽,這似乎是件輕鬆的事!(除非你家開果汁店那就另當別論);然而交通機車噪音平均達到 98 分貝,一周應避免超過 40 分鐘的騎乘,對被譽為「機車王國」的台灣而言,似乎就沒有那麼容易。

隱形聽力殺手:環境噪音及娛樂噪音

交通機車噪音除了來自周遭車輛與自體引擎外,氣流吹向安全帽框所產生的風切聲(wind noise)也是一來源,因此噪音量與車速、安全帽種類都有關。早在 30 年前就有研究發現,當騎乘車速約莫每小時 50 公里,佩戴全罩式安全帽的耳邊噪音量較高,為 95 分貝、佩戴 3/4 罩安全帽的耳邊噪音量較低,為 89 分貝;隨著車速提高至約莫 80 公里,兩者分別上升至 103、98 分貝(Ross B.C. , 1989)。看來,機車族不僅要思考哪種安全帽可以保護頭部安全,還得思考該如何在騎車時也保護耳朵的健康。

騎個車也可能會讓自己過度暴露在噪音中?圖/pexels

此外,隨著 3C 產品與藍芽技術推層出新,聽穿戴科技(hearable tech)結合音樂通話、健康追蹤、導航等需求,已成為「人耳兩機」的時尚趨勢,但常見智慧型手機連接耳機的最大輸出音量高達 113.1 分貝[6],當我們使用耳機聆聽,更應當留意音量大小,特別是周遭環境較吵雜時,若為了蓋過捷運、鐵路等交通噪音而不自覺加大音量,結果恐怕得不償失。

「相等能量原理」不是算命神器,你的聽力也要靠自己努力

噪音性聽損實為多重致因、複雜表徵的疾病,不單與聲音大小有關,也不單只損害「察覺」聲音的能力。首先是個體的易感性(susceptibility),基因變異或高血脂將使個人對噪音的暴露更脆弱,而營養均衡的飲食或自體生成的熱休克蛋白(能維持細胞活性、幫助細胞修復的蛋白質)則可提高個人的保護力[7][8];再者是細胞損傷的針對性,噪音導致的暫時性聽損雖有機會恢復,但長期來看恐加速與老化相關的聽損,且噪音對聽覺神經結構的破壞,將使「分辨」聲音的能力也退步[9]。因此雖單靠相等能量原理難以完美詮釋終身的噪音危害,但作為基礎的估算仍有其價值。

善用工具!落實安全聆聽

為了盡可能減少噪音性聽損的風險,許多防音防護具(hearing protection devices)已經上市,除了一般通用的耳塞、耳罩,依照不同款式與材質、正確配戴與否,所能帶來的噪音衰減評比值(Noise Reduction Rating,NRR)在 0-35 分貝間[10];臺灣亦有不少助聽器公司,能由專業聽力師為我們取下專屬耳型(ear impression),再製作成客製化耳塞,更貼合個人的耳道以提高舒適。

在特殊製防音具中,分為基於音量水平(level-dependent)或基於頻率均等的衰減(uniform attenuation)。音量水平僅針對高音量衰減,而能保留安靜情境中較低音量的語音溝通需求,通常可應用在營造、紡織、航空等高噪職業。簡單來說,這樣的技術可以過濾機械運作時產生的大聲噪音,讓作業員較輕鬆聽到其他同事的說話聲。均等的衰減技術則考慮傳統耳塞對高頻率音的衰減大於低頻率音,因此在設計上利用聲學特性對高頻音產生額外共振,這樣就能留有貼近原音的清晰音質,可供音樂家、音響工程師,及講求高音質的大眾使用[11]

客製化防噪耳塞,結合內部音管做濾音功能,預期能達到頻率均等的衰減。圖/作者

人人在手的安全聆聽幫手

響應 WHO 與國際電信聯盟(International Telecommunication Union)在 2019 年提出的安全聆聽設備標準[2],許多手機與耳機製造商已開始著手在軟硬體端導入 WHO 的聆聽標準,可由「設定」內的「聲音與觸覺回饋/音效與震動」或下載應用程式做設定,功能雖因廠牌有異,但多涵蓋下述項目:

  1. 耳機高音量通知:當聆聽超過聲音累積允許量時發出通知提醒。
  2. 降低耳機高音量:選定設備最高音量限制,系統會分析耳機音訊並降低任何超出的音訊。
  3. 即刻檢視耳機音量:在聆聽音訊時,查看當前的音量變化。
  4. 個人化音訊調節:輸入專屬的聽力圖,系統能根據個人在不同頻率的聽力程度客製化調整音訊,使聆聽感受更清晰,或許你就能稍微調降整體音量,延長聆聽的允許時間。
  5. 累積耳機音量:部分根據耳道聲學,自動計算一段時間的耳內音量,標示使用狀況屬於正常或大聲;或將聲音暴露容許量以百分比告知每日/每周聆聽的餘額。
  6. 累積環境音量:自動計算一段時間的環境音量,標示正常或大聲;或將聲音暴露容許量以百分比告知每日/每周接觸的餘額。
為了一生的聽覺健康,記得落實安全聆聽的守則。圖/pexels

噪音對健康的影響不止於聽覺,也與睡眠障礙、新陳代謝與心血管疾病、兒童的認知表現下降有關[12]。因此不論先天的聽力基礎如何,聽力保健是人人都要關心的健康議題。大家不妨現在就拿起手機與耳機、開始設定,讓智慧 3C 發揮「智慧生活」的價值,協助你我「落實安全聆聽」吧!

參考資料

  1. World Health Organization. (2021). World Report on Hearing, 40,65. Available at:https://www.who.int/publications/i/item/world-report-on-hearing
  2. World Health Organization. (2019). Safe listening devices and systems: a WHO-ITU standard, 15-16. Available at:https://www.who.int/publications/i/item/9789241515276
  3. Berglund, Birgitta, Lindvall, Thomas, Schwela, Dietrich H & World Health Organization. Occupational and Environmental Health Team. (‎1999)‎. Guidelines for community noise, 35. Available at:https://apps.who.int/iris/handle/10665/66217
  4. Elliott H. Berger, Rick Neitzel, & Cynthia A. Kladden. 3M Personal Safety Division. (2015). Noise Navigator: Sound Level Database, 39-46 Available at:https://multimedia.3m.com/mws/media/888553O/noise-navigator-sound-level-hearing-protection-database.pdf
  5. Ross B. C. (1989). Noise exposure of motorcyclists. The Annals of occupational hygiene, 33(1), 123–127. https://doi.org/10.1093/annhyg/33.1.123
  6. Kim, G., & Han, W. (2018). Sound pressure levels generated at risk volume steps of portable listening devices: types of smartphone and genres of music. BMC public health, 18(1), 481. https://doi.org/10.1186/s12889-018-5399-4
  7. Le, T. N., Straatman, L. V., Lea, J., & Westerberg, B. (2017). Current insights in noise-induced hearing loss: a literature review of the underlying mechanism, pathophysiology, asymmetry, and management options. Journal of otolaryngology – head & neck surgery, 46(1), 41. https://doi.org/10.1186/s40463-017-0219-x 
  8. 張寧家(2011)。 影響台灣勞工噪音性聽力障礙易感性相關因子之研究。高雄醫學大學醫學研究所博士學位論文。 
  9. Wu, P. Z., O’Malley, J. T., de Gruttola, V., & Liberman, M. C. (2021). Primary Neural Degeneration in Noise-Exposed Human Cochleas: Correlations with Outer Hair Cell Loss and Word-Discrimination Scores. The Journal of neuroscience, 41(20), 4439–4447. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3238-20.2021
  10. Centers for Disease Control and Prevention, USA. (December 11, 2018). How Do I Prevent Hearing Loss from Loud Noise? Retrieved from https://www.cdc.gov/nceh/hearing_loss/how_do_i_prevent_hearing_loss.html
  11. Patricia A. Niquette. (Mar 7, 2007). Uniform Attenuation Hearing Protection Devices. Retrieved from https://hearingreview.com/hearing-products/uniform-attenuation-hearing-protection-devices
  12. Basner, M., Babisch, W., Davis, A., Brink, M., Clark, C., Janssen, S., & Stansfeld, S. (2014). Auditory and non-auditory effects of noise on health. Lancet, 383(9925), 1325–1332. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(13)61613-X

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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。