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稻田裡的魚和水稻一起興旺

SciDev
・2011/11/24 ・879字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

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圖片取自Flickr用戶 IRRI,根據創用CC-By 2.0條款使用

一項研究發現,一種同時種植水稻和養魚的傳統農業技術可能有助於小農從他們的農作物中獲得更多的錢,並減少對環境的影響。

在中國進行的一個為期6年的研究發現,當把魚引入到水稻田之後,農民能夠種植與傳統的水稻單一栽培同樣數量的穀物,但是殺蟲劑用量少了2/3、化肥用量少了1/4。

發表在本週(11月14日)的《美國科學院學報》(PNAS)上的這項研究說,這些水稻-魚聯合生產可能減少農業化學品的環境影響並且有助於讓水稻種植更有利潤。

「在用於發展水稻和魚類生產的土地和水都有限的地區,進行RF(稻田養魚)是很重要的,」該研究的第一作者、中國浙江大學的科研人員陳新(音譯)告訴本網站說。他還說,這種技術應該與諸如灌溉和機械使用等現代技術結合起來。

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該研究使用的這種魚是一種美味的當地鯉魚品種,因此農民可能賣掉它們。它們還可以大量減少肥料和殺蟲劑的使用,這通常佔了水稻生產總成本的60%到70%。

魚顯著減少了水稻紋枯病和稻瘟病,並且減少了雜草和害蟲,諸如水稻飛蝨。這種入侵昆蟲有潛力破壞整個水稻田——去年泰國的一場飛蝨暴發毀掉了該國4%的收成

通過調節生態系統中的氮的數量,魚還讓施肥的需求最小化。

水稻植株也提供了蔭涼,讓水保持涼爽並且讓魚甚至在最熱的月份也也能保持活躍。而且植物吸引來的昆蟲為魚提供了額外的食物。

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設在菲律賓的國際水稻研究所的農業系統專家Zainul Abedin說:「這是一個用於減少貧窮和促進食品安全的特別有用的工具,可以在整個熱帶地區使用。」

他還說,由於新的研究改良了這已有千年歷史的技術,這種做法可以比僅僅種植水稻的收入多一倍。

非洲水稻中心的非洲東部和南部代表Paul Kiepe告訴本網站說:「由於捕魚量變得越來越小,這種方法將對於確保食品生產為人們提供足夠的蛋白質變得越來越重要。

但是Kiepe強調說,許多農民沒有正確的知識和工具從而讓這個體系運作。

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鏈接到PNAS的論文全文

參考文獻

Proceedings of the National Academy of Sciencedoi:10.1073/pnas.1111043108

本文原發表於Scidev[2011-11-16]

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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「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。

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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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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 ・SR值 538 ・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

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。

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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。

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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」。

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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

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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。

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「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」)。

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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。

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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。

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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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。

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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。

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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

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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。

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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。

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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

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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。

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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?!

延伸閱讀

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,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