Rice in the Veins

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2009 / 2月

Chang Chiung-fang /photos courtesy of Jimmy Lin /tr. by David Mayer


Humans have engaged in wet rice ag-riculture since as far back as 10,000 years ago. Today, the practice has spread across the entire planet, and the harvest constitutes the number-one staple in the diets of some 3.5 billion people worldwide.

During the "green revolution" of the 1960s, dwarfing of rice and wheat resulted in dramatically better yields (as dwarf plants use more of their energy for filling the grain than in growing taller), but the gains in output have not kept pace since then with population growth. To make matters worse, the United States triggered a global grain shortage and spiraling prices in 2006 when it diverted 14% of its corn harvest to ethanol production. Even major rice-producing nations such as Vietnam, Thailand, and India ordered rice exports to be halted or reduced.

Luckily, biotechnology is progressing at leaps and bounds. Scientists are working on transgenic crops to find more effective means of producing food and energy. The "second green revolution" is barreling ahead, and wet rice agriculture is once again a key focal point of research.

Yu Su-may, a distinguished research fellow at the Academia Sinica's Institute of Molecular Biology and a pioneer in the field of rice genetics in Taiwan, has obtained more patents in her field than anyone else.

So what is so engrossing about wet rice research? Why is Yu Su-may so hopelessly addicted to it?


On the first day of 2009, while virtually all of us were sleeping off the previous night's celebrations, Yu toiled away alone in the laboratory, where she works year-round without vacation on preparations for the bioenergy segment of the Executive Yuan's national energy plan.

But paddy rice is the true love of her life, and at the mere mention of it Yu's eyes light up.

Unfading memories

Those of us from an urban background may not have any particularly strong emotional reaction to rice or rice fields, but the waving fields of golden grain in the feature single of Jay Chou's album Capricorn are for Yu more than just a pretty bit of film; they are a vivid memory that has hovered in her consciousness since childhood.

Born to a farming family in Taichung County's Waipu Township, Yu grew up watching the rice fields transform with the four seasons. It left an indelible mark in her young mind, but even to her it must seem a bit ironic that going off for advanced schooling in Taipei and embarking upon a career in biotechnology should have taken her back once again to the rice fields of her youth.

"I've been studying wet rice agriculture all my life," says Yu. She did her master's thesis on rice paddy diseases. In her doctoral and post-doctoral research she focused on rice-paddy weed control and rice seed germination. After entering the Institute of Molecular Biology she began looking into "molecular farming" issues, such as how sugars and hormones can be used to regulate the growth of paddy rice and make rice paddies more productive. Then she single-handedly set up Taiwan's Rice T-DNA Insertion Mutant Library, only the fourth such library in the world after ones in China, South Korea, and France.

Apart from the emotional tug of her childhood memories, the central importance of rice to Yu's career also makes perfect sense from a professional angle because rice is a hot topic in plant molecular biology.

The rice genome is small (there are only 12 chromosomes and some 37,000 genes, while the genomes of corn and wheat are six and 40 times larger, respectively), and so has provided an important model for the study of plant genome functions. It is also the first crop genome to be sequenced. Researchers in Taiwan and nine other nations collaborated on the rice genome sequencing project, which was finally completed in 2005 after seven years. Since completion of the sequencing, rice researchers have begun studying the functions of each gene. According to Yu, less than 1% of all rice genes have been decoded to date.

Genetic database

The easiest way to translate a gene is to disrupt it and cause it to undergo genetic transformation. Yu is the first person in the world to successfully achieve Agrobacterium-mediated transformation of monocotyledonous plants.

A "monocotyledonous plant" is a flowering plant having a single cotyledon (seed leaf) in the seed (the presence of just one cotyledon is most obvious when the plant is just beginning to sprout). Monocots are chiefly herbaceous and have no cambium, which is why the stem is not capable of the secondary growth seen in woody plants. Dicots, in contrast, have two cotyledons. Their vascular bundles are arranged in a ring shape, and they have a cambium and develop a tree-ring growth pattern. The separation between monocots and dicots was complete some 200 million years ago, and for some reason gene transfer is more difficult to achieve in monocots. Yu conjectures that it may be due to their metabolites.

Agrobacterium has been dubbed a "natural genetic engineer." It is endemic to soil-borne plant pathogens, and frequently causes crown gall tumors and hairy root disease. Yu uses Agrobacterium as a medium to transfer a fragment of exogenous genetic material (T-DNA, short for "transferred DNA") into a host plant's nuclear DNA genome.

Yu studies the functions of paddy-rice genes by random insertion, either disrupting the genes (by inserting material directly into them) or activating them (by inserting material between two genes).

"Whether you disrupt or activate a gene, once a mutation is generated, it will affect the generation of proteins and cause either suppression or overexpression of a particular function, and the gene characteristic is changed," says Yu, citing mutant paddy rice as an example. Some stems are deformed, some are short, and some grow taller than a man. The spikes may stand up straight, like wheat, and the color of the leaves may be changed. To date, this work has already resulted in the addition of over 60,000 types of mutant paddy rice to Taiwan's Rice T-DNA Insertion Mutant Library. Some types may lack resistance to flooding, drought, or cold weather.

Each mutation produced by Yu's laboratory is delivered to the Council of Agriculture's Agricultural Research Institute for isolated field testing under rigorously controlled conditions (to prevent seeds from escaping and "contaminating" normal rice crops). After two generations of breeding, the seeds are collected and delivered to the national Mutant Library for safekeeping.

In addition to preserving different strains of rice, the Institute of Molecular Biology is also working to further decode the rice genome by finding disrupted genes, recording their characteristics and other biodata, and entering the information into a database. The genomic sequences of 30,000 mutations have been identified and announced on the Web. Interested researchers can apply to the Rice T-DNA Insertion Mutant Library for seeds to use in their own research.

Yu has identified 20 or 30 paddy-rice genes with special functions. Some make for bigger rice grains, some accelerate growth, and others enable rice to grow in adverse environments by making it more resistant to drought, cold, or saline soils.

It takes a promoter

One key focus of Yu's research is the use of enzyme staining to identify promoters of different gene functions.

"Promoters are very important," says Yu. They are required for genes to express specific functions. Tissue-specific genes and growth phase-regulated genes, for example, require promoters to direct their expression.

By identifying different promoters, a scientist can cause a special gene to be expressed only at a given location or at specific times. Take the nematode resistance gene, for example. Nematodes only infect rice plants via their roots, so the gene need only be expressed in the roots, not in the seeds. This is important, since consumers who are concerned about genetically modified crops need not worry that the grains of rice they eat contain transgenic protein.

The drought resistance gene is another good example. If it were expressed all the time, the plant would always be in drought resistance mode; to stay alive, it would remain stunted, which is no way to get a bumper crop. Scientists must find a promoter to direct its expression, so that the rice will grow well under normal weather conditions and put on the brakes only when water is scarce.

GM to rescue the hungry?

The world faces a grain shortage in the making, and the use of genetic engineering to make paddy rice more resistant to disease and adverse conditions is a means of addressing the problem.

World population is expected to reach 9 billion by the year 2050, and half the people on our planet depend on rice as their main food staple. Demand grew from 2.56 million metric tons in 1965 to 6 million tons in 2006, and is projected to reach 7.5 million tons by 2020.

Even as populations grow, the global supply of arable land declines due to industrial pollution, desertification, salination (e.g. by accumulation of fertilizer, or by seawater permeation of soil), erosion, and other factors. The question of how to produce enough grains to feed the world is emerging as an enormous challenge. Scientists believe that genetic modification is of key importance in efforts to resolve the grain shortage because it can increase crop yields and lower the cost of cultivation.

Raising crop productivity and improving resistance to diseases and pests will greatly reduce costs by enabling farmers to cut down on the use of chemical herbicides, pesticides, and fertilizers. Statistics indicate that the use of agricultural chemicals dropped by 14% (or 172.5 billion tons) from 1996, when GM crops were first introduced, to 2004.

"Disease and pest resistance is the most important thing here in Taiwan," says Yu. Living as we do on a small, densely populated island with a humid climate and an abundance of diseases and pests, farmers make heavy use of agricultural chemicals. Indeed, they rank No. 1 in Asia on this score. But if we can bring about widespread use of disease-resistant GM crops, explains Yu, we can resolve this longstanding problem.

And improving the resistance of crops to drought, salinity, and cold will increase arable land area, as crops could be planted in locations that were not formerly suitable, such as low-lying coastal zones subject to seawater incursion, for example, or areas with cold weather.

Besides food, many also hope to use GM crops to resolve the energy crisis.

Yu points out that converting the cellulose in crops to biofuels is quite feasible in theory, but the technology is still under development.

Using an architectural analogy, she likens cellulose to steel rebar, while lignin (which fills the spaces in a plant's cell wall between cellulose, hemicellulose, and pectin components) corresponds to the concrete. These two intertwined elements enable a plant to stand up straight, but the "rebar and concrete" just get in the way when we try to extract fuel from biomass. Cellulose has to be removed in order to break down sugar and process it into ethanol. Strong acids, high temperature, and high pressure are required to destroy the "rebar and concrete," but the acids generate pollution, while a huge amount of energy is consumed to produce the high temperature and pressure. The process is neither environmentally friendly nor economic.

So what kind of "smart crops" should we be growing for energy extraction? Yu believes that paddy rice, wheat, and sugarcane can all be modified from head to toe to suit the purpose. With paddy rice, for example, everything other than the edible seeds has always been seen as waste. Indeed, the rice stalk is generally burnt, causing air pollution, but in fact it is high-quality cellulose that in the future promises to be a "star performer" in the biofuels industry.

Molecular farming

In addition to providing food and energy, genetic engineering can also be used to make rice produce proteins and enzymes with medical or industrial applications. The pursuit is often referred to as "molecular farming," and is a key focus of scientific research.

The "golden rice" that is now being tested at the International Rice Research Institute in the Philippines and is scheduled to hit the market in another two or three years, is a typical example of molecular farming.

Swiss scientists Ingo Potrykus and Peter Beyer announced the development of golden rice in 2000. The pair used gene transfer to produce rice with a high level of beta carotene, which is converted to vitamin A in the body. Every year some 127 million babies and 7 million young mothers contract blindness or even die due to a lack of vitamin A, but golden rice promises to provide a very effective way of solving the problem.

Yu has achieved numerous breakthroughs in molecular paddy rice farming over the years. One such breakthrough came with the development of phytase-enhanced rice.

Rice containing transgenic phytase helps the body break down and absorb phosphorus. Yu explains that most pigs and poultry mainly feed on corn and soybeans. The phosphorus in their food is generally chemically bound to other elements and cannot be absorbed in the intestines, so it is mostly passed out with the animals' stools. A lack of phosphorus affects an animal's skeletal development, and runoff phosphorus can pollute ground in and around the farm while causing eutrophication of nearby lakes and ponds. But adding phytase-enhanced rice to the animals' feed helps livestock absorb the phosphorus, thus solving the problems described above.

In addition to livestock and the environment, phytase is also for humans.

"Phytase is especially good for vegetarians," says Yu, because they eat a lot of beans. Phytase-enhanced rice helps them break down the phosphorus, which is good for digestion.

In 2000, Yu transferred the technology for producing phytase-enhanced rice to Ingene Biotechnology Co.. However, to everyone's surprise, the Council of Agriculture has had three successive reviewers on the project, but the rice has yet to pass field testing eight years on.

Taiwan exports rice to Japan, the only developed nation that has not approved the planting of GM crops. The term "genetically modified" makes Japanese people uneasy, and Taiwan's Council of Agriculture is therefore concerned that allowing GM rice to be grown could restrict Taiwan's rice exports to Japan. This is one reason why the authorities in Taiwan have been so reluctant to allow phytase-enhanced rice to pass field testing. However, Chen Yu-hui, a professor in the Department of Agricultural Economics at National Taiwan University, has published a report on the economic returns generated by phytase-enhanced rice and concluded that once the rice is approved for the market, the value of phytase-enhanced rice output will exceed the value of rice exports to Japan.

A cry in the wilderness

After eight years of struggle, Yu no longer holds out hope of seeing her research breakthroughs put into practice on farms in Taiwan, so she has turned her attention overseas, and is beginning to cooperate with foreign biotech firms.

BASF, headquartered on Germany's Rhine River and the largest agrochemicals company in the world, has signed a cooperation agreement with the Academia Sinica. Under the agreement, BASF is providing funding for research on 30 genes related to paddy rice yields. As soon as Yu's laboratory identifies a gene's function, BASF can immediately begin licensed use of the gene. In addition, multinational giant Monsanto is very interested in a promoter that directs gene expression at the seedling phase, and will receive a license very soon.

Yu, who leads the pack in Taiwan with over 20 plant-related patents, points out a big field testing backlog at the Council of Agriculture, and laments that the lack of approvals is stifling the prospects for development of Taiwan's agricultural biotech industry.

When the Academia Sinica first hooked up with BASF, 100 genes were originally selected for research, but the number was slashed to 30 in the end because teams from other countries had already filed patent claims on the rest.

"In another two or three years, Taiwan is not going to have any shot at leadership in high-tech agriculture," complains Yu, ruefully noting that once all the patents have been taken, researchers in Taiwan won't be able to study anything without infringing on someone's patent. Golden rice offers a glimpse of just how competitive things are in this industry: the new rice is being developed with the humanitarian aim of helping impoverished mothers and children, yet research work has been held up by more than 20 patent-related matters.

Yu wistfully recalls that the "Dee-geo-woo-gen" and "Taipei 309" rice strains that propelled the first green revolution in the 1960s were developed from Taiwanese paddy rice. But now our pussyfooting policymakers threaten to stand between Taiwan's paddy rice researchers and their chance at leadership in the field; it is not hard to imagine the frustration that Yu must be feeling. Will anyone heed her urgent cries?

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イネにかける余淑美の思い

文・張瓊方 写真・林格立

1万年前から栽培が始まったイネは、35億人という地球の半数以上の人口を支える主食である。

1960年代、米、麦など穀物の在来品種を矮性化した「緑の革命」が始まり、収穫量は大幅に増加した。しかし、その後の人口増加のスピードには追いつけず、しかも2006年にはアメリカでトウモロコシの14%をバイオエネルギーのエタノール生産に振り向けたため、国際的な食糧不足を引起し、価格が高騰した。ベトナム、タイ、インドなど米作大国でも米の輸出を禁止した。

幸いなことに、バイオテクノロジーの発達により、種の壁を超えた遺伝子組換え技術が開発され、より効率的な食糧とエネルギー増産が模索されている。現在進行中の第二次緑の革命に、イネが重要な役割を担っているのである。

中央研究院分子生物研究所の客員研究員余淑美は、台湾のイネゲノム研究の先駆者で、このジャンルで多くの特許を取得している第一人者である、

余淑美はイネのどこに魅せられて、研究に一生を捧げてきたのであろうか。


2009年の最初の日、世間にお正月気分が漂う中、分子生物研究所の実験室も空っぽだが、余淑美の研究室には灯りが点っていた。年中無休の彼女は、行政院のエネルギー国家計画の一項目、バイオエネルギー計画に没頭していた。

しかし、一生研究を続けてきたイネに話が及ぶと、彼女の目は輝きだすのである。

忘れがたい稲の香り

現代に生活する人々は、稲と言われても何の感慨も湧かない。台湾の人気アーティスト、ジェイ・チョウのアルバム「カプリコーン」に収録された稲の香りは、そのMVに黄金色に実り波打つ豊かな水田風景を使っていたが、これこそ余淑美の忘れ難い幼少の記憶である。

台中県外埔郷の農家に生まれた余淑美は、四季を通じて育つ水田のイネを見ながら育った。それが子供時代の生活に、最も重要な風景でもあった。それが進学のため台北に出て、バイオテクノロジーの研究に足を踏み入れても、イネとの関りは途切れることがなかったのである。

「一生をイネの研究に捧げてきました」と言うとおり、修士課程ではイネの病害、博士やポストドクターでは水田の雑草防止やイネの発芽を研究し、分子生物研究所に入ってからは、糖分とホルモンによりイネの生長を管理し、付加価値をつけるなど、「分子農場」をテーマにしてきた。その間、中国、韓国、フランスの跡を受けて、台湾に世界4番目のイネの遺伝子突然変異種データベースの設置を担当したのである。

余淑美がイネ研究に没頭してきたのは、個人的な記憶もさることながら、イネ研究は植物の分子バイオテクにおいて先端的地位を占めていたからである。

イネの遺伝子は数が少ないため(染色体12対、遺伝子3万7000個で、トウモロコシはその6倍、小麦は40倍)、植物遺伝子の機能研究では、世界でも最も重要なモデル作物で、2005年には遺伝子の塩基配列の解読が終了した。次いで、各遺伝子の機能を解析する仕事が待っている。余淑美によると、現在機能が知られている遺伝子はわずか1%に過ぎず、今後の遺伝子研究が待たれる。

遺伝子バンク

遺伝子の機能を解読する一番簡単な方法は、これを破壊して突然変異を起こさせることである。余淑美は世界で最初に、アグロバクテリウムを単子葉植物の遺伝子に挿入することに成功した。

単子葉植物とは、胚に子葉が1枚しかないもので(芽がでるときに目立つ特徴)形成層をもたないので茎が太くなることはなく、多くは草本である。胚に子葉2枚を持つ双子葉植物は、茎に環状の維管束があり、形成層を有して、成長により年輪を形作る。2億年前の進化の途上で分かれてきたが、なぜか単子葉植物は遺伝子挿入が難しかった。代謝物の相違によるのだろうと、余淑美は推測する。

バイオテクノロジーでは遺伝子工学の運び役として知られるアグロバクテリウムは、地中に普通に存在する植物の病原菌で、植物が感染すると根頭癌腫(一種のこぶ)や毛状根を引起す。余淑美は目的の遺伝子配列をアグロバクテリウムのT-DNA遺伝子に組み込み、これを感染させて遺伝子を宿主植物の遺伝子に挿入する。

余淑美はランダムに挿入することで遺伝子を破壊(遺伝子に直接挿入)あるいは活性化(二つの遺伝子の間に挿入)させ、イネの遺伝子の機能を確定していった。

「破壊でも活性化でも、遺伝子に変異が起こると、タンパク質合成に影響し、機能が失われたり、増長して、形態も変わります」と話す。例えば、突然変異したイネは茎が分かれたり、矮性化したり、時に人の背ほど高くなったりする。また穂が垂れなくなるもの、水、日照り、低温に敏感なものなどが生まれる。こうして生まれて、遺伝子バンクに保存されたイネの突然変異種は6万種に上る。

余淑美の実験室で突然変異種が生まれると、農業委員会の農業試験所の栽培チームが台中のほかと厳しく隔離された水田(種子が外にでて正常な水田を汚染しないため)で、二世代栽培し、採種してからバンクに保存する。

種子の保存と共に、分子生物研究所では配列解析も進めていて、破壊された遺伝子を特定し、形態などの生物情報を記録し、データベースを構築している。現在、3万個の突然変異遺伝子の配列が分析され、ホームページで公開して、台湾の学界の使用に供している。興味のある研究者は種子バンクに研究用の種子頒布を申請できる。

こういった研究の成果として、余淑美は30種ほどの遺伝子の機能を特定してきた。これには籾をよりしっかり太らせるもの、生長を早めるもの、乾燥や寒さ、塩害などの厳しい環境に耐える生存能力などが見つかっている。

プロモーターを探せ

酵素抗体法により、様々な遺伝子のプロモーターを解析することも、研究の重点である。

プロモーターは重要と、余淑美は言う。プロモーターとは遺伝子が特定の機能を果すためのスィッチとして働き、特定の組織の中、特定の成長段階のどこで遺伝子が機能するかをコントロールする。

プロモーターが分かれば、特定の遺伝子を特定の場所或いは時期に働かせることが出来る。例えば線虫の免疫遺伝子であれば、線虫はイネの根に感染するので、遺伝子は根で活性し種子では活性しない。こうすれば遺伝子組換えに不安をもつ消費者にとっても、遺伝子組換えタンパク質を口にすることがなく、安心できる。

また乾燥に対応する遺伝子が平時に働いてしまうと、植物は自分が渇水状態にあると考えて、生きるために生長を遅らせ矮小となり、収穫に影響する。そこでこの遺伝子のプロモーターを見つけて、一緒に挿入すれば、植物は普段は順調に生育し、日照りの時に能力を発揮して逆境を生き抜いていける。

遺伝子工学を利用して、病気や過酷な環境に強いイネを作り出そうというのは、間近に迫る食糧不足問題を解決するために他ならない。

遺伝子組換えと食糧不足

人口の増加に伴い(2050年に90億に達すると予測)、世界の半分の人口を支える米の需要が急増している。1965年の256万トンから2006年には600万トン、2020年には750万トンに達すると見込まれる。

人口が増加しているのに、工業汚染、砂漠化、潮汐の侵食や塩化土壌(肥料の堆積、海水の浸食など)により耕地は減少していて、食糧生産量が問題となる。そこで遺伝子組換えによる収穫量を上げコストを下げて、食糧問題を解決できると考えられた。

余淑美によると、収穫量の増大と病虫害耐性で、農薬と化学肥料の使用を減少させ、コストを下げられるという。1996年に遺伝子組換え作物の栽培が始まってから2004年まで、世界の農薬使用は14%、1725億トン減少した。

「病虫害への耐性は台湾では特に重要です」と、余淑美は話す。人口密度が高く、湿潤な亜熱帯気候では病虫害が多く、農薬使用量もアジアでトップクラスである。遺伝子組換えで耐性のある作物が普及すれば、この農業の問題が解決できる。

イネは遺伝子機能の解析のモデル作物で、機能の分かった遺伝子はイネやその他の穀物の改良に利用できる。作物の干害、寒害、塩害耐性を高めれば、これまで耕作できなかった海沿いの低地や寒冷な山地にも耕地面積を広げられる。

食糧だけではなく、遺伝子組換えでエネルギー問題の解決も期待される。

農作物の繊維質のバイオ燃料転換は理論的には可能だが、技術は確立されていない。

繊維質は鉄筋、木質はセメントのようにしっかり組み合わさって、植物はまっすぐ立っていられる。しかし、エネルギー生産にはこの組織が障害なのである。繊維質を分解しアルコールとするとき、強酸や高圧で組織を壊さなければならない。強酸は汚染源だし、高圧はエネルギーを大量に必要とし、環境保護にも経済的にも不適である。

それではエネルギー開発に向く作物は何なのだろうか。余淑美はイネ、ムギ、サトウキビを考えている。どれも種から茎、根まで利用できるのである。イネでは、食用となる米に加え、これまでは農業廃棄物とされ、燃やして大気汚染源となっていた稲藁でさえ、優秀な繊維質で将来のエネルギー源である。

イネの分子農場

食糧とエネルギー源としてイネの利用価値を高め、さらに遺伝子工学で植物を使い工業用或いは医薬用のタンパク質や酵素を生産することも考えられる。

現在、フィリピンの国際イネ研究所で試験栽培され、数年後に発売予定のゴールデンライスがその例である。

2000年に発表されたゴールデンライスは、遺伝子挿入により米に本来なかったベータカロチンが含まれるようになった。この米で、世界の1.27億の子供と700万の妊婦がビタミンAの摂取不足により失明したり、死の危機にさらされるのを防ぐことが出来るという。

余淑美も遅れを取っているわけではない。イネの分子農場研究の成果の一つが、植酸酵素米である。

遺伝子組換えを行った植酸酵素米は、リンを分解吸収する機能を有する。ブタやニワトリなどの家畜はトウモロコシや大豆を主食とするが、穀粒の中のリンは植酸と結合していて、胃腸で吸収されずに排出される。そこで動物はリン不足となり骨格の成長に影響し、排泄物は農場付近の地下水を汚染し、富栄養化を招く。飼料に植酸酵素米を添加すれば、リンが動物の体内で分解吸収され、この問題は解決する。

植酸酵素は動物や環境に利点があり、さらに食用にもなる。

「植酸酵素はベジタリアンに特に向いています」と余淑美は言う。ベジタリアンは大豆食品を多く取るが、米から摂取する植酸酵素米は大豆の中のリンの分解を助け、消化に役立つ。

2000年、余淑美は植酸酵素米の技術を台湾の国際遺伝子会社に譲渡したが、それから8年経った今でも、農業委員会のフィールド試験にパスしていない。

その理由を問うと、台湾の米は日本に輸出されているが、日本は先進諸国の中で唯一、遺伝子組換え品種を認可していない国である。日本の消費者は遺伝子組換えに敏感なため、農業委員会では米の日本輸出に影響することを恐れ、植酸酵素米の試験を通過させないのだという。しかし、台湾大学農業経済学科の陳郁恵教授の「遺伝子組換え植酸米の経済効果分析」報告では、認可が下りて生産に入れば、その生産額は日本への輸出額を上回ると見ている。

科学者の呼びかけ

8年の経験から、余淑美は研究成果が自国の土地で応用されることに希望を失い、技術輸出に期待し、外国のバイオテクノロジー会社との協力を開始している。

本部がドイツのライン河畔にある総合化学メーカーBASF社は、すでに中央研究院と提携して、イネの遺伝子研究プロジェクトに資金を提供している。余淑美の実験室が遺伝子の機能を特定すれば、会社はその使用ライセンスを受ける。世界的な総合化学大手のモンサント社も、苗の段階のプロモーターに興味を示し、近々ライセンスを受ける予定である。

台湾では一番多い20件あまりの植物特許を有する余淑美は、遺伝子組換え作物の試験審査が農業委員会でストップしていている状況に、商業化が進まない結果、台湾の農業バイオテクノロジーの発展が遅れることを心配する。

中央研究院とBASF社とが協力を始めた当初、100あまりのプロジェクトがあったが、他国の研究が先に特許を取得したため、最終的には30に減ってしまったという。

「あと2年もすれば、台湾の農業ハイテクは先端的地位を失うでしょう」と、余淑美は指摘する。貧しい女性や子供を助けるためのゴールデンライスでさえ、複雑な特許の問題で危うく実現が妨げられかねなかったのである。特許競争の激しさの一端がうかがえる。

1960年代の緑の革命の元となった品種、そして第一世代のゴールデンライスに使用された台北309は、どちらも台湾のイネの在来種であった。それなのに台湾のイネ遺伝子研究は政策に足をとられ、発展の機会を失いつつある。余淑美の訴えはどこに届くのだろうか。

余淑美的水稻情緣

文‧張瓊方 圖‧林格立

水稻,早在萬年前人們即已開始種植;如今它是全球半數以上、近35億人口的主食

1960年代,水稻、小麥等穀類經過傳統育種矮化的「綠色革命」後,產量大增,但終究不敵人口增加的速度,2006年更因美國將14%的玉米產量轉化為生質能源乙醇,引發國際糧食短缺、價格飛漲,連越南、泰國、印度等產米大國,也紛紛下達禁止或減少稻米出口令。

所幸,生物科技發達,科學家利用跨物種的基因轉殖作物,尋求比過去更有效的糧食及能源增產方法,「二次綠色革命」正如火如荼地展開,而水稻仍在其中扮演舉足輕重的角色。

中研院分子生物所特聘研究員余淑美,是台灣水稻基因研究的先驅,更是目前該領域中獲得最多專利的第一人。

水稻究竟有何迷人之處?何以能讓余淑美為它「執迷不悔」、「情有獨鍾」?


2009年的第一天,大家還沈浸在跨年的歡樂氣氛中,中研院分生所實驗室裡空無一人,唯獨余淑美的辦公室亮著燈光,全年無休的她,正為行政院「能源國家型計劃」中的「生質能源」進行規劃,忙得焦頭爛額。

不過,提起一輩子都離不開、放不下的水稻研究,她卻又眼睛一亮,立即生龍活虎起來。

難忘稻香

現代都市年輕人,對水稻可能沒有任何感覺。在歌壇小天王周杰倫《魔羯座》專輯首波主打歌「稻香」MV中,稻穗結實纍纍、一片金黃稻海的農村和樂景象,正是余淑美腦中最念念不忘的兒時回憶。

台中縣外埔鄉農家出生的余淑美,看著田中稻子隨四季生長變化,是她童年生活最深刻,也是最重要的一部分。只是沒想到,負笈北上、走進生物科技領域後,仍與水稻脫離不了關係。

「我一輩子都在研究水稻,」余淑美說,碩士時研究水稻病害,博士、博士後研究水稻田的雜草防治、水稻種子發芽問題,進入中研院分生所後,又開始研究糖分與荷爾蒙如何調控水稻生長、提高水稻附加價值等「分子農場」議題;而繼中、韓、法之後,在台灣創建的全球第4個「水稻基因突變種原庫」,一肩扛起這個重責大任的,也是余淑美。

余淑美圍著水稻打轉,除了個人情感因素外,實在也是因為水稻研究在植物分子生物科技上居領頭地位。

水稻基因體小(僅有12條染色體、約3萬7,000個基因;玉米是它的6倍、小麥則是40倍),因此成為全球研究植物基因體功能最重要的模式作物,也是第一個完成「基因定序」的作物。包括台灣在內、10個國家攜手合作,耗費7年時間,終於在2005年宣告完成水稻基因定序。接下來,破解每個基因暗藏的功能密碼,是科學家後續的挑戰。余淑美指出,目前已經知道功能的基因不到1%,換言之,大部分的水稻基因仍待探究。

基因種原資料庫

解譯基因功能最簡單的方式就是──破壞它,使其產生突變。而余淑美正是全球以「農桿菌」轉殖單子葉植物基因成功的第一人。

何謂「單子葉」?單子葉指的是胚胎中僅有一枚子葉的植物(小苗出土時的明顯特徵),多為草本,因無「形成層」構造,所以莖不會逐年粗壯,多為草本植物;胚胎具有2枚子葉的雙子葉植物,則莖中維管束呈環狀,有形成層,會隨著植物成長而形成年輪。2億年前,單、雙子葉在演化上就已經分了家,不知何故,單子葉植物在基因轉殖時困難度較高,余淑美猜測,或許與代謝物不同有關。

而在生技界擁有「遺傳工程師」之稱的農桿菌,是普遍存在於土壤中的植物病原菌,常會引發冠廮腫瘤和毛狀根群。余淑美利用它做為媒介,將構築好的「外源基因」片段(T-DNA)放進農桿菌中,藉由它的感染、入侵,將特定基因帶入植株細胞中。

她以隨機插入的方式,破壞(直接插入基因中)或活化(插在基因與基因之間)基因,藉此來研究水稻基因的功能。

「不論是破壞或活化,基因一旦產生變異,就會影響蛋白質的生產,造成功能喪失或過度表現,性狀也就隨之改變。」余淑美舉例,基因突變後的水稻,有的分蘗(分出叢生的莖)發生變異,有的特別矮小,有的則高到比人還高;有的稻穗不會下垂、形似小麥,有的葉色改變不耐淹水、乾旱、低溫…。以此方式產生並存入台灣種原庫的水稻突變種,目前已累積超過6萬種!

余淑美的實驗室所製造的每一個突變種,皆交由農委會農試所團隊在台中進行防護嚴密的「隔離田間試驗」(以免種子外洩、「污染」正常稻作),經過兩代繁衍收取種子後,再交付國家種原庫保存。

保存種子外,分生所還會進一步「解序」,找出被破壞的基因,再一一記錄其性狀等生物資訊,建立資料庫。目前已有3萬個突變基因序列被分析出來,並公布在網站上供台灣學界使用。有興趣的研究者還可以向種原庫申請種子,進行更深入的研究。

靠著這種苦功夫,余淑美已從中找出二、三十種具有「特異功能」的水稻基因,有的能使稻穀結實更飽滿、有的可以縮短生長時程,有些則具有抗旱、抗寒、抗鹽等對抗自然界「逆境」的生存能力。

尋找啟動子

利用「酵素染色法」,進一步尋找各式各樣的基因功能「啟動子」,則是余淑美的研究重點之一。

「啟動子非常重要,」余淑美解釋,啟動子有如電燈開關,有它帶領,基因才能表現出某些特定功能,而組織專一性(只在某組織表現)與生長時期調控(只在某階段表現),都要仰賴啟動子。

找到各式各樣的啟動子,就能讓某個特異基因在某部位或某時期表現。例如「抗線蟲基因」,由於線蟲是由水稻根部感染,因此讓該基因只要在根部表現,不在種子表現,如此一來,對轉殖基因有疑慮的消費者,就不會在米粒中將轉殖基因的蛋白質吃下肚。

又例如「抗旱基因」,該基因如果平時就表現,那麼作物會一直以為自己處於缺水狀態,為了活命,自然會限縮生長而長得矮小,反倒造成歉收。只有找到並同時殖入抗旱基因的啟動子,才能讓抗旱基因「該表現時才表現」,如此一來,作物平時長得好,旱災時又能發揮抗旱能力,挺過逆境。

利用基因工程讓水稻抗病、抗逆境的目的,無非是解決迫在眉睫的糧荒問題。

基改解糧荒?

隨著人口增加(預估到2050年,世界人口數將增加到90億),全球一半人口的主食──稻米──的需求量也大增。從1965年的256萬噸,到2006年的600萬噸,預估到2020年需求量將達750萬噸。

人口增加,全球可耕地卻因工業污染、土地沙漠化、沖蝕、鹽化(肥料中的元素累積或海水浸潤)等問題而逐日縮減。如何生產足夠的糧食成為大難題。科學家認為,基因改造可提高作物產量、降低耕作成本,是一把解決糧荒問題的金鑰。

余淑美指出,提高作物的生產力及抗病性、抗蟲性,可大幅減少農藥和化肥的使用、降低成本。根據統計,從1996年開始有基改作物起到2004年,全球農藥的使用量因此減少了14%(1,725億公噸)。

「抗病蟲害能力對台灣尤其重要,」余淑美說,台灣地窄人稠,氣候濕熱,病蟲害多,因此農藥使用量大,排名亞洲之冠,如果能推廣抗病基改作物,就可以解決這一大農業沈痾。

水稻是個研究基因功能的模式作物,知道功能的基因可用來改良水稻及其他穀類作物。而增加作物的耐旱、耐鹽、耐寒性,則可以擴充耕地面積,使得原來不適合栽種作物的地方,如低窪的海水倒灌區及溫度偏冷的山區,也可以種植作物。

除了糧食外,也有不少人希望藉由基改作物來解救能源危機。

余淑美指出,將農作物中的纖維素轉為生質燃料,理論上相當可行,但技術上仍不成熟。

她解釋,纖維素像鋼筋、木質素則像水泥,兩者緊緊包在一起,讓植物可以挺直站立。然而,要利用植物做能源時,「鋼筋水泥」卻是阻礙。要取出纖維素分解成糖、製作酒精時,必須要用強酸、高溫、高壓將「鋼筋水泥」爆破。而強酸會製造污染,高溫、高壓則需要耗費大量能源,實在不夠環保也不夠經濟。

那麼,什麼才是值得能源開發者投入的「聰明作物」呢?余淑美認為,水稻、小麥、甘蔗等,都是從頭到腳可以利用的聰明作物。以水稻為例,除了可以食用的稻米外,過去被視為「農業廢棄物」、甚至焚燒造成空氣污染的稻稈,就是一種優質纖維素,也將是未來的「能源之星」。

水稻分子農場

除了提高稻米作為「食物」和「能源」的兩大功能外,利用基因工程讓作物生產工業或醫藥用途的蛋白質或酵素(俗稱「分子農場」),也是科學家們努力的方向之一。

目前正在菲律賓「國際稻米研究中心」試種,預計二、三年後可上市的「黃金米」,就是最典型的例子。

瑞士科學家Ingo Potrykus與Peter Beyer在2000年發表的「黃金米」,成功地以基因轉殖方式,讓米含有較高的β胡蘿蔔素,食用後可轉化為維生素A,以有效解決全球1.27億兒童及700萬孕婦因維他命A缺乏而導致眼盲,甚至死亡的問題。

余淑美也不遑多讓,多年來她已在水稻分子農場上獲得多項具體成果,「植酸酵素米」是其中一個例子。

基因轉殖的植酸酵素米,具有幫助分解、吸收磷的好處。余淑美解釋,一般豬、雞等家畜家禽多以玉米、大豆為主食,穀粒中的磷往往被「植酸」緊緊抓住,無法被腸胃吸收而排放出來至自然界,不僅動物易因缺磷而影響骨骼生長,更會導致農場附近的地下水污染、湖泊優氧化。若在飼料中添加植酸酵素米,讓磷能在動物體內分解吸收,就能解決上述問題。

植酸酵素不只是對動物、環境有好處,人也可以食用。

「其實植酸酵素對吃素的人特別好,」余淑美指出,素食者吃很多豆類,從這種米中粹取的植酸酵素可以幫助分解豆類中的磷,幫助消化。

2000年,余淑美將「植酸酵素米」技轉給台灣的國際基因公司,不料8年來,農委會的審查委員已經換過3批,植酸酵素米仍未能通過田間試驗審核。

余淑美透露,台灣米外銷日本,而日本是先進國家中唯一仍未核准種植基改作物者,一般日本民眾對於「基改」一詞更是敏感,農委會擔心稻米銷日因此受阻,遲遲不願通過植酸酵素米的田間試驗。然而,根據台大農經系教授陳郁蕙的「基因改造植酸米經濟效益分析」報告,一旦獲准生產上市,植酸米的產值其實高於稻米外銷日本的產值。

科學家的沈痛呼籲

經過8年「抗戰」,余淑美對於研究成果能在自己的土地上運用已經「不抱希望」,轉而「外銷」,開始與國外的生技公司合作。

總部設在德國萊因河畔的全球最大農化公司巴司夫,已與中研院簽約合作,提供資金研究30個與產量有關的水稻基因,一旦余淑美的實驗室找出基因功能,該公司便能獲得授權使用。另外,跨國農業生技公司孟山都,也對於一個在小苗階段表現基因的啟動子很有興趣,近日內也將完成授權。

擁有全台最多植物專利(二十多項)的余淑美說,基改作物田間試驗審核在農委會「大塞車」,遲遲未能獲准產業化的結果,將導致台灣的農業生技發展空間越來越小。

余淑美透露,中研院與巴司夫合作之初,曾選擇了100個基因要進行研究,最後只剩下30個,是因為其餘的都已被其他國家的團隊捷足先登、申請專利了。

「再過二、三年,台灣的農業高科技就沒有領先的機會了!」余淑美沈痛地指出,當所有專利都被「鎖住」時,台灣的未來農業生技發展將動輒得咎。即便是打著救助貧苦婦女、病童的人道「黃金米」,都差點被卡死在二十幾個專利問題上而胎死腹中,這個產業的競爭白熱化可見一斑。

余淑美感嘆,1960年代造就第一次綠色革命的「低腳烏尖」和第一代黃金米使用的「台北309」,都是台灣的水稻品種。曾幾何時,台灣的水稻基因研究卻因為政策的裹足不前,而逐漸喪失先機,余淑美的沈痛可以想見。但不知她的呼籲,能否被聽見?

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