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抗蟲作物的末日即將來臨?

若您聽過「基改作物」這個名詞,事實上不管它們被稱為轉基因作物(transgenic organisms),或是基改作物(genetically modified organisms,GMO),目前的基改作物,最大宗的大致上可以分為兩種:

1. 抗殺草劑:這部分目前在市面上主要是抗年年春(嘉磷塞,glyphosate)。
2. 抗蟲:這部分目前在市面上主要為帶有蘇力菌(Bacillus thuringiensis)的結晶蛋白(δ-endotoxin,俗稱Bt toxin)。

目前抗殺草劑的作物,由於雜草已經逐漸演化出對年年春的抗性,已漸漸失去神效;至於抗蟲作物呢?

首先我們來回顧一下抗蟲作物的歷史。蘇力菌最早用於有機農業,以噴灑孢子的方式來殺滅鱗翅目(Lepidoptera,如蝴蝶、蛾等)害蟲。抗蟲作物在1996年第一次上市,當時的作物僅含有單一結晶蛋白;但為了預防極可能發生(也真的發生了)的抗性,研究團隊開始發展含有多個結晶蛋白的抗蟲作物(pyramided Bt crops,以下略稱為多重抗蟲作物),並於2002年上市。

在這六年間,難道沒有抗Bt害蟲出現嗎?答案是:有的。事實上,在1985年便已經發現對Bt產生抗性的印度谷螟(Plodia interpunctella)。因此,在抗蟲作物上市後,各國都要求種植抗蟲作物的農民必需設置隔離區(refuge)。隔離區是什麼呢?就是在種植抗蟲作物的田地旁邊,種植不帶有抗蟲基因的農作物。這些農作物提供害蟲生長繁殖的地區,當抗性害蟲出現時,由於基因突變通常頻率不高,因此在有隔離區的狀況下,抗性害蟲為少數,於是抗性害蟲有較高的機率與不具抗性的害蟲交配。在抗性基因為隱性突變的前提下,當抗性害蟲與不具抗性的害蟲交配後,所生出的子代便不具有抗性,當他們食用了抗蟲作物後,便會死亡。

印度谷螟。圖片來源:wiki
但是,隔離區要奏效,必需要有許多因素配合。首先,隔離區要夠大(至少要佔農地的20%),如果不夠大、或是農民在隔離區噴灑農藥殺死害蟲,那麼隔離區就沒有用了。接著,基因突變的頻率要夠低,而且突變基因要是隱性。如果是顯性、或是突變的頻率偏高,那麼隔離區必需要擴大到至少為種植抗蟲作物的一半面積,才有可能延遲抗性害蟲的出現20年(這裡說的不是不會出現喔!)。再來是,不論在作物的哪一個階段,抗蟲作物裡面的結晶蛋白要能夠殺死幾乎全部的害蟲;也就是說,作物內的抗蟲蛋白不僅要有效,而且濃度要穩定。最後,如果抗性突變使害蟲在不含有抗蟲基因的作物上的競爭力減弱,這也可以使抗性害蟲晚些出現。

但是,目前已經知道,當作物開始開花結果的時期,抗蟲蛋白的濃度會降低。這時候就代表原先設計的隔離區要擴大了!可是隔離區越大,代表收益越差;因為隔離區就是要用來養蟲,所以在隔離區能收穫的農作物一定不多、賣相也差。

所以,農民們無不企盼著多重抗蟲作物的上市,能解決這些問題。不過,真的解決了嗎?

答案是,在一些條件能配合的狀況下,多重抗蟲作物可以有較小(注意:不是沒有)的隔離區。

什麼條件呢?首先,隔離區當然還是不能噴農藥;接著,害蟲對於不同的結晶蛋白間,不存在著交叉作用(cross-reactivity)。最後,最好是所有的農田一次全部換成多重抗蟲作物。當然,基因突變率、突變基因為隱性或顯性、抗蟲蛋白的濃度的穩定性還是都要列入考慮的。

那麼,從2002年到現在,有新的抗性害蟲出現了嗎?

答案是:有,而且很多。將2005年與2010年相比,有五個區域(包括了南美洲、美國與印度)都出現了超過一半的害蟲出現抗性,這使得抗蟲玉米的功效變差了(下圖紅色部分)。而在2005年時,只有棉鈴蟲(Helicoverpa zea)出現抗性,但是在2010年時,除了棉鈴蟲以外,玉米秸稈螟(Busseola fusca)、西方玉米根蟲(Diabrotica virgifera virgifera)、斜紋夜蛾(Spodoptera frugiperda)、棉紅鈴蟲(Pectinophora gossypiella)都出現了抗性;而結晶蛋白依然有效的區域(下圖綠色部分),已由2005年的絕大多數,退到不到三分之一了。

2005與2010年抗性害蟲出現情形。圖片來源:Nature Biotechnology
為什麼會這樣呢?簡單來說,人性。在多重抗蟲作物上市前的田間研究顯示,如果多重抗蟲作物與只含單一抗蟲基因的作物一起種植,產生抗性害蟲的機率會提高;於是建議一次要把所有的基改作物都換成多重抗蟲作物。但是,美國就是做不到,硬就是拖了八年才換完。所以,超過一半的害蟲出現了抗性的五個地區,美國就佔了三個。相對的,澳洲當年就是一次到位,全部換完,所以目前這些害蟲在澳洲依然對抗蟲玉米無奈何。

當然,這個調查也發現,許多地區的害蟲突變率,比原先設想中的要高。這麼一來,當初建立的電腦模型就要重來,當然隔離區也要擴大。

不過,也不全部都是壞消息。在另一個大型研究發現,最常見的突變發生在結晶蛋白的第二個區位(domain II)。結晶蛋白共有三個區位,其中第二與第三區位對結晶蛋白是否能與昆蟲的中腸細胞結合很重要。在第二區位發生突變,會使結晶蛋白無法與中腸結合,於是便失去效用。過去只知道第二區位很重要,但是在這個大型研究中發現,第三區位也有其重要性。因此,未來在設計新的結晶蛋白時,多留意第二與第三區位的相似性;不要把這兩個區位相似的結晶蛋白基因同時轉入作物,可以設計出較有效果的多重抗蟲作物。

聽來似乎抗蟲作物尚大有可為?不過,永遠都不要高估了人性。雖然澳洲模式告訴我們,只要所有的農民們一起合作,要讓抗蟲作物的抗蟲效果存續較長的時間,並非不可能;但研究團隊也發現,即使是相似度很低的結晶蛋白,交叉作用依然無法完全避免。而人性永遠都是難以預估的;筆者深深覺得,基改作物要能夠永遠在地球上睥睨群「蟲」,是不可能的事,或許更應該思考的事是:如何建立對大自然友善的生存模式吧?

最近義美的高總經理出面反對政府提倡基改作物,或許筆者漏看新聞,沒有看到政府提倡基改作物的消息;如此消息為真,筆者也非常的憂慮。為什麼呢?因為政府光是協調農民不要過度栽種高麗菜、柳丁等農作物都辦不到,如何能夠讓農民乖乖的在基改作物的旁邊設置隔離區?唉!

參考文獻:

2015/2/8。中央社。義美:政院領軍攻基改作物 禍害農地

Bruce E. Tabashnik, Thierry Brevault & Yves Carriere. 2013. Insect resistance to Bt crops: lessons from the first billion acres. Nature Biotechnology. 31(6):510-521 doi:10.1038/nbt.2597

Yves Carriere, Neil Crickmore & Bruce E. Tabashnik. 2015. Optimizing pyramided transgenic Bt crops for sustainable pest management. Nature Biotechnology.33, 161–168 doi:10.1038/nbt.3099

McGaughey WH. 1985. Insect Resistance to the Biological Insecticide Bacillus thuringiensis. Science. 229(4709):193-5.

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多於12排的玉米是基改玉米(GMO corn)?假的啦!

最近從朋友那裡收到了這張圖...
這張圖說,玉米果實超過12排的都是基改(大陸稱為轉基因)玉米。從圖片上的文字是簡體來看,顯然是從大陸傳過來的資訊,但不管資訊從哪裡來,這資訊是真的嗎?首先我們先從邏輯上來判斷。什麼決定玉米果實有幾排?顯然不是製造基改玉米的基因。目前的基改玉米,大多都是帶有蘇力菌的抗蟲基因的Bt玉米。Bt玉米是植入蘇力菌的cry基因,而這個基因的作用是讓食用它的昆蟲腸穿孔死亡,並不會影響玉米的排數。當然,可能會有讀者說,或許當初製作基改玉米的生技公司就選用了多於12排的玉米來植入這個基因,所以我們還是可以用這個標準來判別啊?別忘了一件事:生技公司選用的品系,當然是目前受歡迎的品系;他們不會特別去選一個不怎麼受歡迎的品系來製作基改玉米。也就是說,就算當初選來製作基改玉米的品系它的果實真的是多於12排好了,肯定也有非基改的版本在市面上流通,怎麼能以此來判別誰是基改、誰是非基改呢?當然光靠邏輯,可能還不能說服大家;我在網路上查了一下發現,有一篇一樣是來自大陸的闢謠文章(有興趣的朋友可以去看一下,連結在此),裡面提到:『甜玉4號,它的穎果排數為14,1992年通過北京市農作物品種委員會審定通過的雜交甜玉米品種;其二是登海9號,它的穎果排數為16,1994年由山東省農科院雜交育成並在多地開始規模化試種;其三是興農998,它的穎果排數為20排,2003年開始規模化試種的雜交種。...轉基因玉米最早被商品化種植的時間是1995年(在美國種植),甜玉4號、登海9號都早於這個時間。所以這些玉米雜交種實例可以證明「只有穎果少於12排的玉米才是非轉基因,多於12排的玉米都是轉基因!」是謠言!』
事實上,因為大家喜歡果實大的玉米,所以多於12排的玉米很常見。網友補充:1. 玉米排數正常是偶數,這根雌花形成有關。如果不是偶數,就是授粉不完全。2. 農友種苗公司育成的「華珍二號」,其果實是12排或14排,但它是貨真價實的非基改玉米。3. 根據台南農改場的資料,肯定多於12排的玉米有:     硬質玉米:台南16號(14-16)、台南20號(16)、台南29號(14-16)、台南30號(14-16)     甜玉米:台南27號(14-16)、台南28號(14-16)     另外還有一些是可能會多於12排的,就不列出了。這些可都不是基改玉米喔!目前台灣還不能種植基改作物,但允許基…

鳳梨會「咬舌」是因為噴了生長素?

今天早上看到可憐的鳳梨又被黑了...或者說,種鳳梨的農夫又被黑了!
鳳梨會咬舌是因為生長過程中噴了生長素?
關於植物的生長素是什麼,請參考一下「吃到含植物生長激素的水果會性早熟?」這篇文章。

至於為什麼吃鳳梨會「咬舌」,是因為鳳梨含有鳳梨蛋白酶(Bromelain)。

鳳梨蛋白酶有兩種,一種存在於莖裡面(EC3.4.22.32),另一種存在於果實中(EC3.4.22.33)。果實裡面的鳳梨蛋白酶,在1891年時就由委內瑞拉的化學家Vicente Marcano從發酵的鳳梨果實中分離出來了。它可能是第一個由植物分離出來的蛋白質分解酵素。

鳳梨蛋白酶可以用來軟化肉質,跟木瓜酵素(papain)一樣好用。我們吃了鳳梨以後,會覺得舌頭刺刺痛痛的,是因為鳳梨蛋白酶(鳳梨酵素)在分解你舌頭細胞的蛋白質。因為鳳梨蛋白酶的作用溫度是攝氏35-45度,所以我們口腔裡的溫度剛剛好適合。因此,當你在吃它的時候,它也在吃你(XD)。

至於生長素是否會造成底部(蒂頭)變大?當然不會!蒂頭(也就是俗稱的鳳梨心)的大小,只有跟鳳梨的品系(品種)有關,跟鳳梨是否噴了生長素無關。以前大家喜歡挑蒂頭小的鳳梨,是因為心比較小才可以吃多一點果肉。不過,現在很多鳳梨的心也都可以吃了。把心的大小跟鳳梨是否噴了生長素連在一起,鳳梨真的好冤枉啊!

話說回來,鳳梨蛋白酶其實在莖裡面的含量更高,所以在市面上販售的軟肉精,裡面如果用的是鳳梨蛋白酶,通常都是在鳳梨採收後再取莖去榨汁純化的。鳳梨蛋白酶除了可以用來做軟肉精以外,還可以用來清創(debridement)--清除掉死亡、腐爛的組織,讓新的組織可以長出來。

另外一個常用的軟肉精是木瓜酵素。但是為什麼木瓜不會咬舌呢?原來成熟的木瓜裡面已經沒有木瓜酵素了!木瓜酵素是由未成熟的木瓜果的乳膠(latex)乾燥後提煉出來的。

不知道為什麼大家這麼喜歡造鳳梨的謠呢?想到當年英國國王查爾斯二世為了要在歐洲吃到鳳梨,還要大費周章地蓋起歷史上的第一個暖房,我們現在不用暖房就可以吃到鳳梨,卻不斷的有人在告訴我們「鳳梨很危險」...唉!

兩位鳳梨農網友補充:

★果梗(蒂頭)的問題:鳳梨果梗的大小,跟本身植株健壯有關,越健壯的植株果梗就會越粗大!另外果農為了防裂梗,會在紅喉期澆灌硼砂水溶液時加入奈乙酸鈉(一般農民最多會加4公克在500公升水中),這也會使果梗粗大。
★使用激素的問題:…

老祖宗的偏方殺死多重抗藥菌

現代醫學常常對於某些偏方不屑一顧,不過最近諾丁漢大學(University of Nottingham)的微生物學家哈里森博士(Freya Harrison)決定要來試試看記載於九世紀書中的古方,發現竟然可以殺死多重抗藥菌。

這本書,Bald's Leechbook,裡面有個用來治療睫毛毛根感染的方子。這藥方是這麼製作的:

將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中烹煮九天。(詳見本文最後的更正)

研究人員發現,要重現古方其實也不容易;雖然現在也有韭菜與大蒜,但是育種使得現代的韭菜與大蒜跟九世紀的品系有所不同;即使研究人員找到了所謂的「傳統」(heritage)品種,但他們仍擔心是否還是不一樣。

公牛膽倒是比較容易,很多化學藥劑公司都販售膽鹽;另一個問題是銅鍋。銅鍋非常貴,因此哈里森博士決定把整個配方在玻璃器品中烹煮九天,但在配方中加入一片銅同煮。

九天以後配方完成。哈里森博士說,烹煮的過程中整個實驗室充滿了大蒜的味道,讓附近的人都以為他們在實驗室裡煮東西吃;九天結束時,藥膏有個恐怖的味道。

但是味道恐怖歸恐怖,哈里森博士發現它可以殺死土壤中的細菌。更好的是,它可以治療被多重抗藥性金黃葡萄球菌感染的老鼠,效果與萬古黴素(Vancomycin)相當。

接下來的工作就是要了解為何這古方有效。2005年有另一個研究團隊嘗試過同樣的方子,但沒有任何效用。唯一的差別是他們沒有煮九天。而單獨使用任何一個成分也都沒有效果。

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

2015/10/10 更正:由於當初只有參考文獻1中的文字可供參考,而New Scientist 使用了stewing這個詞,使筆者誤以為是「將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中烹煮九天。」;本文中的研究於2015/8出版於mBio期刊(2),參考其中的方法發現,正確的製備過程是「將等量的韭菜與大蒜混合後搗碎,加入公牛膽與酒在銅鍋中置放九天。」。特此更正。

2020/7/29 更新:最新的研究發現,以洋蔥(onion)取代韭菜(leek)的效果更好。因為原文提到的那名詞可能是洋蔥也可能是韭菜,所以研究團隊測試了兩種版本,結果發現洋蔥的效果更好。當然,研究團隊也提到,說不定是因為洋蔥比較容易搗碎,所以效果比較好。在最近發表於Scientific Reports的文章中提…