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談基改作物(一)--從前從前有一隻農桿菌

基改作物是什麼?它的全名是Genetically Modified Organisms,簡稱為GMO。

從1994年正式上市供人食用的基改作物--蕃茄一號(Flavr Savr)開始、到1996年第一個上市的抗蟲作物,基改作物已經逐漸進入我們的生活中,由少到多,甚至可說是無所不在!根據Clive James 2015年的年度報告摘要,基改作物的種植面積由1996年的170萬公頃增加到2015年的一億七千萬九百七十萬公頃,足足增加了一百倍之多!這意味著全球二十八個不同國家,超過一千八百萬名農夫,不約而同地決定種植基改作物。

不過,雖然農民擁抱基改、四大植物生技公司努力的推展基改,基改作物似乎沒有那麼受歡迎?在林富士老師的「食品科技與現代文明」裡面的「基因改造食品風險與管理」中提到,歐洲一直不願意全面開放含有基改作物成分的食品進入;而在台灣的許多團體,無不反對基改作物引進台灣。多年來,基改這個議題在台灣,已經成了無法平心靜氣討論的議題。不論是贊成基改或反對基改,只要相關的議題出現在媒體上,兩方陣營都是砲火猛烈,幾乎都認為與自己意見不同的一方是知識水平不足。

在這一片喧囂之中,是否曾有在一旁觀戰的民眾思考過:究竟什麼是基改作物呢?基改作物是如何產生的?

這就要從農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)開始說起了。植物跟我們一樣,身邊也圍繞著好菌壞菌;而農桿菌就是壞菌之一。打從聖經時代,由農桿菌導致的冠瘤(crown gall tumor)便已經開始受到注意;最早對於冠瘤的文字記載,則要從1853年開始算起。科學家們看到同樣長在森林裡的樹木,為什麼有些長瘤、而有些不呢?他們也注意到,雖然植物長瘤不致命,但是長了冠瘤的果樹產量會降低,於是便開始動手要找出造成冠瘤的禍首。

Fridiano Cavara 在1897年從葡萄的冠瘤中分離出了農桿菌。後來的許多研究也發現,農桿菌喜歡從植物的傷口進入,所以只要在寒流來襲前妥善地將果樹接近地面的樹幹包覆起來,減少樹木表皮因凍傷造成破裂,便可以有效防止農桿菌的感染。

雖說預防勝於治療,不過每次寒流來襲之前就要幫果樹穿棉襖,也實在太累了;於是有些科學家便開始尋找可以消滅農桿菌的方法。

孫子說:「知己知彼,百戰不殆。」想要消滅敵人,當然要瞭解敵人囉!於是歐洲、美國的科學家們,便開始了一場農桿菌的奇幻旅程~

第一個突破來自美國。1958年,洛克斐勒大學的Armin Braun博士發現,冠瘤可以在沒有提供植物激素的培養基裡不斷分裂生長。由於這是一般的植物組織無法獲取的技能,因此Braun博士便假設,農桿菌一定有給冠瘤細胞一些特殊的武器,否則這些冠瘤細胞如何能生生不息呢?

到了1970年,法國的George Morel發現冠瘤細胞會製造農桿菌愛吃的食物octopine和nopaline。由於被不同農桿菌感染的植物的冠瘤,所產生的食物也不同,更鞏固了科學家們的想法:農桿菌提供了植物細胞生生不息的技能。

真正的突破來自1977年。華盛頓大學的「農桿菌女王」Mary-Dell Chilton博士與她的團隊在不眠不休的努力下,成功打敗比利時的團隊,證明了農桿菌在感染植物時,會將自己的Ti(Tumor-inducing,致癌)質體上的一段基因植入植物的基因體。同時她的團隊(以及另一個團隊)也建立了將Ti質體分裂為二,讓科學家們可以更方便的將要植入的基因放進去的方法。

如果有「植物基改元年」的話,那一定就是1983年了。那年的一月十八日,Chilton博士與孟山都(Monsanto)的幾位研究員在邁阿密冬季學術研討會上,分別發表了對農桿菌的研究。

圖片來源:wiki

原來,農桿菌在感染植物時,會將一段位於自己的Ti質體(上圖C)上的片段(上圖c之a)插入植物的基因體內(上圖7)。這段片段含有合成植物激素所需的酵素、以及合成農桿菌愛吃的食物的酵素。被感染的植物細胞,因為合成了更多的生長激素,於是細胞分裂便開始加快了。

因為植物有細胞壁,產生的腫瘤不會轉移,所以植物的冠瘤不致命,冠瘤以外的組織也作息如常;但是插入冠瘤細胞的基因,卻會跟著這些細胞代代相傳,永遠都不會離開植物細胞了。

由於通常在自然界被感染的植物細胞都是體細胞,所以農桿菌的感染不會遺傳;但也有例外!在2015年華盛頓大學的科學家們,在分析不同栽培種的蕃薯(Ipomoea batatas)的基因體時,卻意外地發現我們吃的蕃薯竟然是「天然基改」的!這些蕃薯的基因體內,含有農桿菌用來合成植物生長素(auxin)的基因!

究竟這些基因是怎麼跑到我們的蕃薯裡面去的呢?科學家認為最有可能的是,在「從前從前」有一隻農桿菌感染了蕃薯的塊根(農桿菌是土壤中的微生物,所以要感染塊根其實挺容易),後來農桿菌不見了,但是農桿菌的基因不會離開;接著因為農夫在選種時都會選擇長得快又大的,而帶有農桿菌基因的塊根,因為製造了額外的生長素,當然長得快又大,於是在選種時,就這麼被留下來了。

讀者看到這裡可能會問:這件事發生了多久呢?答案是:不知道,因為華盛頓大學研究團隊發現他們手上的291個蕃薯的栽培種,都可以找到農桿菌的序列喔!

當然,現在所謂的基改作物裡面所帶的基因,與這些蕃薯裡面帶有的農桿菌基因是不同的;基改作物裡面所含有的基因,目前大概可以分為兩大類:抗蟲(帶有蘇力菌的結晶蛋白基因)與抗年年春(帶有農桿菌的EPSPS )。

蘇力菌的結晶蛋白(簡稱為Cry,常以Bt [蘇力菌的簡稱]作為暱稱)會使吃下它的昆蟲腸穿孔而死,但是我們的胃因為會分泌胃酸,反而會把結晶蛋白給消化掉,使得結晶蛋白對我們無害;而年年春會抑制植物的EPSPS,使植物無法合成必須氨基酸;但農桿菌的EPSPS不怕年年春,因此只要將農桿菌的EPSPS植入植物,植物便立刻獲取不怕年年春的技能了!

讀者看到這裡,應該了解到:目前最大宗的這兩種基改作物,其實都是為了降低生產成本而產生的。也因為如此,以基改大豆為例,目前非基改大豆的價格大約是基改大豆的1.5倍;如果大家覺得吃非基改大豆比較安心,那麼就只能多花點錢囉!

當然大家最關心的是:基改作物究竟安不安全呢?那就請大家看我們的續集囉!

(本文編輯後另刊載於泛科學新聞網

參考文獻:

Clive James. 2016. ISAAA Brief 51-2016: 20th anniversary (1996-2015) of the global commercialization of biotech crops and biotech crio highlights in 2015.

林富士。2010。 食品科技與現代文明。稻鄉出版社。

Tina Kyndt, Dora Quispe, Hong Zhai, Robert Jarret, Marc Ghislain, Qingchang Liu, Godelieve Gheysen, and Jan F. Kreuze. 2015. The genome of cultivated sweet potato contains Agrobacterium T-DNAs with expressed genes: An example of a naturally transgenic food crop. PNAS. published ahead of print, doi:10.1073/pnas.1419685112

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為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

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而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


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【原來作物有故事】麵包樹 熱帶果實引發電影傳奇

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麵包樹是桑科波羅密屬的多年生大型喬木,花為單性花,雌雄同株;果實是由30-68朵雌花所形成的多花果。麵包果通常在採收後五天到一週內食用最好吃,如果冷藏可以保存二到三週。

目前的研究認為麵包樹源自大洋洲新幾內亞、馬來半島、與西密克羅尼西亞。台灣的麵包樹原生於蘭嶼。在蘭嶼,麵包樹稱為“chipogo”,達悟族人用於製作船首、船尾板、坐墊,及住屋用的宗柱、主屋之踏腳板與木笠、木盤等用具,而分泌的乳白色汁液具黏性,可以當作粘接劑。

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到了十八世紀,麵包樹突然搖身一變成了「神奇糧食」。到底發生了什麼事呢?原來在1769年與庫克船長乘「奮進號」的英國植物學家班克斯爵士在大溪地看到了麵包樹,因為麵包樹的果實約有四分之一為澱粉、在熱帶地區又長得很好,使班克斯認為麵包樹可能是解決英國在牙買加殖民地奴隸營養問題的解答。於是在1787年,英國皇家科學院派遣邦迪號前往大溪地收集麵包樹帶到加勒比海群島種植。為了這個目的,船上還有一位隨船的植物學家大衛‧尼爾森。

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通風報信的植物

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康納(Connor Sweeney)和他在德拉瓦大學的指導教授,最近發現:不只是受傷的植物本身會進行這些防禦機制、附近的植物也會呢!

康納是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因為對科學有興趣,寫了e-mail給德拉瓦大學(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表達希望能進他的實驗室學習。當白斯老師回信說「OK」的時候,康納高興得不得了。

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成果是豐碩的。兩年後,康納在白斯教授的指導下,解出了植物接到鄰居的「狼煙」以後,接下來做了什麼;他們的成果發表在2017年的「植物科學前鋒」(Frontier in Plant Science)期刊上。

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