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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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