跳到主要內容

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

留言

這個網誌中的熱門文章

【原來作物有故事】麵包樹 熱帶果實引發電影傳奇

第一次聽到麵包樹的名字,是在小學的校園裡。當時老師說麵包樹雖然果實真的長得像麵包,但因為台北太冷了,原生於熱帶的它沒辦法在台北開花結果。

後來在花蓮當老師時,發現學校餐廳夏天有時會出現一種特別的蔬菜湯:裡面有黃色果肉、白色種子的「菜」。在地的同事告訴我,那叫做「巴吉魯」,也就是麵包樹的果實。

花蓮的夏天總是不缺「巴吉魯」,不只市場裡有賣、有些人家的院子裡就有麵包樹。在地的朋友說,成熟的果實削皮切塊加點小魚乾煮湯很好喝,長不大的果實(雄花花序)用來燃燒驅蚊,據說比蚊香還有效。

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。

達悟族較少食用麵包果,倒是台灣東部的阿美族與太魯閣族經常拿麵包果來吃;不過太平洋群島上最常見的吃法應該是將麵包果放在鋪了葉片的坑洞內發酵成可以放二、三年的「果醬」。由於太平洋群島夏季常有颱風,這些「果醬」對各地原住民們是颱風後很重要的緊急糧食。既然麵包樹這麼重要,「南島語族」(包括台灣的原住民)不論坐船到哪裡,總是帶著麵包樹的種子。所以,麵包樹在太平洋各群島上是常見的風景。

第一個看到麵包樹的歐洲人應該是十六世紀末到十七世紀初的葡萄牙航海家佩得羅‧費爾南德斯‧德‧基羅斯。比他晚將近一百年的英國航海家威廉‧丹皮爾船長,他提到麵包樹的果實可以烤來吃。

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。

原訂於8月16日出發的邦迪號,因為一連串的延遲,最後終於到了大溪地、收集了足夠數量的麵包樹以後,卻在因為船長布萊一路…

通風報信的植物

植物受傷時會有什麼反應?過去的研究讓我們瞭解,當植物被攻擊(受到病原菌感染、受傷)時,會釋放出揮發性有機物質(VOCs,Volatile Organic Compounds),讓自己以及附近的植物啟動防禦機制。這個作用有點像古代的烽火臺,當敵人來襲就燒起狼煙,附近的人看到狼煙就知道這裡出事了,要加強戒備。

不過,當附近的植物感應到VOCs時,它們會如何加強自己的防禦機制呢?過去的實驗發現,當植物的地上部位受到病原菌感染時,會傳遞信號給自己的根,接著根部的鋁活化蘋果酸運輸蛋白(ALMT1,aluminum-activated malate transporter)便會活化後釋放蘋果酸(malate)到土壤中來召喚枯草桿菌 UD1022(Bacillus subtilis UD1022)這隻植物的益菌。這些現象是否不僅僅發生在苦主、也發生在附近的植物身上呢?

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。

於是他就開始了他的實驗室生活:下課後、週末以及暑假,康納都在白斯老師的實驗室裡種阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。雖然他也是高中的游泳校隊,但他盡可能地投入時間作實驗。

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。

以一個高中生來說,這可是個非同小可的成就;康納不只是付出了許多努力,他也細心觀察每一個實驗。因為他夠細心,所以才沒有錯失了重要的發現。

這個重要的發現是什麼呢?有一天他如常地進行實驗:把一株阿拉伯芥用鑷子弄了幾個傷口,準備明天觀察它的反應。不同的是,這次旁邊有一株阿拉伯芥沒有被他弄傷。

第二天他看到了令他不敢相信的結果:旁邊的阿拉伯芥的主根變長、而且還長出了不少側根。

於是他們做了更多測試。他們發現:旁邊有受傷的伙伴的小芥們,主根生長的速度大約…

【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…