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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?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

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不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

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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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孔雀秋海棠的光合作用魔術

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一般的葉綠體,通常葉綠餅的排列是散亂的(如圖);孔雀秋海棠的虹彩體的葉綠餅卻排得如此整齊,有什麼作用呢?

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不過,這些虹彩體不只是會反射藍光而已。研究團隊還發現,虹彩體讓孔雀秋海棠吸收較長波的綠光與紅光的能力提升了!這對孔雀秋海棠是非常重要的,因為它們通常在熱帶雨林的地面上生長。

在熱帶雨林裡,光線都被大樹給遮住了,使得地表的光線極弱。弱到怎樣的地步呢?大約是樹冠光線強度的百萬到千萬分之一喔!而且還不只是光線變弱而已,因為雨林中的大樹們把進行光合作用所需的兩個主要波段的光(460奈米與680奈米)都吸收得差不多了,在這樣的環境下,孔雀秋海棠如果不發展出吸收一點綠光的本事,還真的會混不下去。

事實上,因為這些特殊的構造,虹彩體比一般的葉綠體進行光合作用的效率更高。研究團隊藉著測量葉綠體的螢光(葉綠體進行光合作用時,一部份的葉綠素會把吸收的光以暗紅色的螢光發射出去;所以可以藉著測量螢光了解植物進行光合作用的效率)發現,虹彩體進行光合作用的效率,比一般的葉綠體都好。不過,當光線變強的時候,虹彩體的效率就沒有那麼好了;這或許就是為何,當我們把孔雀秋海棠種在光線…

【原來作物有故事】鳳梨 漂洋過海在臺灣發揚光大

作者:葉綠舒、王奕盛、梁丞志

在台灣提到鳳梨,一定會想到鳳梨酥這代表台灣的伴手禮。但是鳳梨其實不是台灣原產的水果喔!鳳梨原產於熱帶南美洲,在哥倫布1493年的第二次航行時於瓜德羅普的村莊中發現後引進歐洲,約於16世紀中葉傳入中國;台灣則是在1605年先由葡萄牙人引進澳門,再由閩粵傳入台灣,至今已有三百多年歷史。

在台灣,鳳梨因為台語諧音「旺來」很吉利而廣受大眾喜愛,但其實鳳梨的名字是根據它果實的型態來的,因為果實的前端有一叢綠色的葉片,讓以前的人覺得很像鳳尾,加上果肉的顏色像梨,所以就取名為「鳳梨」。至於英文的名稱也是因為果實的外型像毬果、而肉質香甜,所以就被取名為「松蘋果」(pineapple)啦!其實鳳梨果實的毬果狀的外觀主要是因為鳳梨是「聚合果」,每顆鳳梨是由200朵鳳梨花集合而成的!而它的學名Ananas則是來自於圖皮語,意思是很棒的水果。

在哥倫布把鳳梨引進歐洲以後,因為它的香甜好滋味讓它大受歡迎;但是身為熱帶水果的鳳梨,在溫帶的歐洲長得並不好!為了要讓王公貴族們吃到鳳梨,十六世紀的園丁們發明了「鳳梨暖爐」:把單顆鳳梨放在由馬糞堆肥做的暖床上的木製棚架,並升起爐火來保持溫暖,好讓鳳梨這熱帶植物可以在溫帶的歐洲開花結果;世界上第一個溫室就這樣誕生了,並由此開啟了歐洲建造溫室的熱潮!

鳳梨不只是改變了歐洲,在日本人到台灣後,嚐到了鳳梨的香甜滋味,便開始推動鳳梨產業。1903年,岡村庄太郎於鳳山設置岡村鳳梨工廠,生產鳳梨罐頭;後來逐漸形成中部以員林、南部以鳳山為中心的鳳梨生產體系。在1938年時,鳳梨罐頭工廠女工竟然佔了全台灣女性勞動人數三分之一以上呢!光復以後台灣的鳳梨產業也曾在1971年登上世界第一,讓台灣被稱為「鳳梨王國」。但是後來不敵其他國家的競爭,已經由外銷罐頭改為多以內銷鮮食鳳梨為主的型態了。

從清朝、日治時代直到現在,台灣的鳳梨品系一直都一樣嗎?當然不是囉!最早的鳳梨被稱為「在來種」,後來日治時代為了製作罐頭方便,從夏威夷引進了開英種;到了1980年以後,因為罐頭外銷敵不過競爭,台灣的鳳梨改為內銷且以鮮食為主,為了挽救鳳梨產業,農改場、農試所便培育出各種不同適合鮮食的鳳梨:包括不用削皮可以直接剝來吃的釋迦鳳梨(台農4號),最適合在秋冬生產的冬蜜鳳梨(台農13號),有特殊香氣的香水鳳梨(台農11號),以及因為果肉乳白色被稱為牛奶鳳梨的台農20號等…