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表現多種抗蟲毒素的轉殖作物就可以萬無一失嗎?

葉綠舒
・2013/04/02 ・1089字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 549 ・八年級
棉鈴蟲(Helicoverpa zea)

人類與害蟲的戰爭永無休止,但目前看來人類要取得勝利並沒有這麼容易。

棉鈴蟲(Helicoverpa zea )是危害農作物的幾種主要害蟲之一,幼蟲期的牠胃口奇佳,可以危害玉米、棉花、蕃茄等作物。自從發現了蘇力菌(Bacillus thuringiensis)以及它的的結晶蛋白的殺蟲效果之後(1),目前人類已經成功的將結晶蛋白的基因植入植物中。

這些轉殖作物在1996年第一次正式大量栽種,但很快地,棉鈴蟲便發展出了抗藥性。

於是科學家們便發展出新的轉殖作物。這種新的轉殖作物同時帶有兩個不同的結晶蛋白;理論上,如果其中一種結晶蛋白無法殺死害蟲,另一種也會發生功效。

但是,亞利桑納大學的昆蟲學家們卻發現:已經對單一結晶蛋白有抗藥性的棉鈴蟲,對於另一種結晶蛋白也會有不同程度的抗藥性。相較於不具抗藥性的棉鈴蟲,具有抗藥性的棉鈴蟲在帶有兩個不同結晶蛋白的轉殖玉米上的存活率要高得多(2)。

而且,當研究團隊試驗其他七種不同的害蟲時,他們也觀察到交叉抗藥性的存在。交叉抗藥性可使這些害蟲更快發展出對抗新藥的武器,也會使得我們苦心孤詣發明出來的殺蟲良方很快就失去功效。

更麻煩的是,研究團隊發現抗結晶蛋白的基因是顯性遺傳,這使得抗藥基因可以很容易透過交配在下一代就發揮功效。

大部分的基因突變都是隱性遺傳,由於隱性遺傳在交配後的第一代(F1)不具有性狀,因此突變基因要延續下去並不容易;需要有兩個突變的物種交配之後,第一代裡面會有25%的機率才會表現出突變基因具有的性狀。但是顯性遺傳會使交配後的第一代至少一半具有抗藥性。這也使得「refuge」的使用更重要。

「refuge」是什麼呢?原來農夫在種植具有抗蟲基因的轉殖作物時,會留下一部份農地種植不帶有抗蟲基因的農作物;這些農作物可以讓不具有抗藥基因的害蟲持續存活,也可以延緩具有抗藥能力的害蟲出現的時間。

但由於過去美國環保署(EPA)對於結晶蛋白(Bt toxin)的前景太過樂觀,因此也沒有特別要求種植抗蟲轉殖作物的農民要留下一定的面積作為「refuge」。

或許這也間接造成抗藥性棉鈴蟲的大量出現?不論如何,亞利桑納州的研究團隊發現,對於抗結晶蛋白的棉鈴蟲,只留下十分之一的田地作為「refuge」是不夠的,至少要留下三成到四成的田地來作為「refuge」,才有可能延緩具有抗藥性的棉鈴蟲的全面反撲。

不過,依據本文(3)裡面的資料,目前美國種植轉殖玉米約佔全體玉米產量的90%;所以要如何達到30-40%呢?看情形棉鈴蟲的全面反撲只是早晚的事了,唉!

參考資料:

  1. Bacillus thuringiensis. 2013. Wikipedia.
  2. Multi-toxin biotech crops not silver bullets, scientists warn
  3. T. Brévaulta, S. Heuberger, M. Zhang, C. Ellers-Kirk, X. Ni, L. Masson, X. Li, B. E. Tabashnik, and Y. Carrière 2013. Potentialshortfall of pyramided transgenic cotton for insect resistance management. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.

文章難易度
葉綠舒
262 篇文章 ・ 5 位粉絲
做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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