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基礎農業科學研究,作為臺灣農業的後盾── 專訪施明哲
[2018-01-12 ]

 

【農業的基礎研究】採訪編輯|江佩津   美術編輯|張語辰

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2008 年自美國返臺後,施明哲進入中研院農業生物科技研究中心,便以次世代定序 (Next Generation Sequencing, NGS) 作為研究工具,廣泛調查臺灣農作物、水稻與蝴蝶蘭。期盼用分子生物學、系統生物學,以及大數據的基因圖譜資料庫,使科學研究者也能為臺灣的土地盡一份心力。

十年來在中研院農生中心進行水稻、蝴蝶蘭等作物的分子生物學研究,施明哲期許:「我們不只是要跟國際接軌,我們是要打世界盃的!」 攝影│張語辰

十年來在中研院農生中心進行水稻、蝴蝶蘭等作物的分子生物學研究,施明哲期許:「我們不只是要跟國際接軌,我們是要打世界盃的!」攝影│張語辰

基因體定序是一項吃力不討好的工作,需要建立大量的資料庫及數據分析技術。施明哲 2008 年返臺時,發現臺灣農業相較於醫學領域,在前瞻技術的引進較為緩慢。因此來到中研院農業生物科技研究中心,開始著手建立臺灣農作物基因體的資料庫,希望能讓臺灣的研究人員充分利用這些資源,做更多的研究。他笑說,這樣的工作雖然發表不了好論文,但卻是對農業發展很基礎、也十分必要的研究。

問:阿拉伯芥、水稻怕淹水,是因為什麼分子機制?

答:

自然界植物天生具備有不同的抗淹水性。和油菜同為十字花科的阿拉伯芥較不耐淹水;臺灣常吃的水稻雖然是半水生性,但蓬萊米 (Japonica rice) 是較怕淹水的品種;也有些水稻品種較不怕淹水,像是在來米的 FR13A 。另外還有「深水稻」,淹水時莖會快速抽高,讓頂端仍能呼吸氧氣、製造氧份,但水退之後莖若過高就會倒下。

在來米的 FR13A 屬於「抗淹水」的品種,水淹根部時因缺氧稍微枯萎,但水退後不會因為突然獲得很多氧氣而造成氧化反應、細胞死亡。 圖片來源│林致成提供 圖說重製│江佩津、張語辰

在來米的 FR13A 屬於「抗淹水」的品種,水淹根部時因缺氧稍微枯萎,但水退後不會因為突然獲得很多氧氣而造成氧化反應、細胞死亡。圖片來源│林致成提供 圖說重製│江佩津、張語辰

淹水對於植物的影響其實跟人類的中風很類似。中風是腦部缺氧造成腦細胞損傷,淹水讓植物與空氣隔絕造成缺氧,造成植物細胞能量不夠使植物細胞受損。而當水退去後,植物缺氧後「突然得到很多氧氣」,形成過度氧化反應 (reoxygenation),加重對植物細胞造成的傷害。

供予氧氣的速度太快,反而造成氧化壓力產生活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS),生理調控不過來而造成細胞死亡。

 

問:實驗室的研究,有助防範臺灣的淹水農損嗎?

答:

阿拉伯芥屬於十字花科,而臺灣有很多主要蔬菜作物是十字花科,像油菜、甘藍、花椰菜。近幾年臺灣夏天颱風頻繁,菜園泡水一兩天後,蔬菜幾乎就會死亡,我們研究植物抗淹水、缺氧的機制希望可以應用到蔬菜類,看看未來能否育出比較抗淹水的品種。我們也希望能找到水退後的相關抗氧化機制,應用在稻米育種。

研究淹水的抗性就是把植物放到淹水環境中,去看在逆境下不同基因的表現,可以一次就看到細胞在某一特定時間點有哪些基因表現、表現量多寡,一比較就可以找到關鍵性的差別。

以前做育種是仰賴雜交出子代,種到田裡去觀察。但很多遺傳性狀不是一個基因就能決定,而是由一組基因共同決定,育種並選出所需要的新種,通常需要很長的時間。而現在我們實驗室使用基因體學、蛋白質體學、代謝體學,統稱為「系統生物學」,這些通常是研究分子生物的工具,但其實可以用於農作物研究,蒐集並分析這些大數據就能加速育種。

分子生物的技術可以讓我們用聚合酶連鎖反應 (Polymerase chain reaction, PCR) 等技術去找到標的基因,以前做這個速度比較慢,但近年有了新的次世代定序技術 (Next Generation Sequencing , NGS),一天可以得到 160~600GB 不等的資料量,速度變快許多,加速我們找到關鍵性的抗淹水基因,應用到農業育種。

隨著極端氣候,全世界約 10% 農損是淹水造成。了解農作物的抗淹水機制,並發展育種,是眼前急迫的研究。

 

問:和農民交流時,農民反應遇到哪些問題?

答:

我剛到中研院農業生物科技研究中心的時候,當時的院長要我去臺灣繞一圈,看能做什麼幫忙臺灣農業。其中一個是蘭花產業。蘭花藉由無性繁殖(組織培養)到開花,一個生命週期 (life cycle) 也要三年,再加上沒有適當的生物化學及細胞學的工具,因此做蘭花的研究很難。

蘭花的生命週期。要如何縮短組織培養、催花的時間,以及開出想要的花型,是農民最關心的問題。資料來源│施明哲提供 圖說重製│江佩津、張語辰

蘭花的生命週期。要如何縮短組織培養、催花的時間,以及開出想要的花型,是農民最關心的問題。
資料來源│施明哲提供 圖說重製│江佩津、張語辰

蘭花生長週期長,沒辦法像一般商品下訂後馬上有成品,因此花農需要預測什麼品系流行,預先栽培推廣,提供國外市場下單訂購,但預測錯誤就會造成損失,如果生長期能夠縮短半年或一年,成本及風險就會降低很多。

要蝴蝶蘭開花(催花),開花前至少連續兩個月要在 16°C 以下,但臺灣平地溫度很少連續兩個月低溫,因此在臺灣養蝴蝶蘭需要以冷氣降溫,增加許多成本,也耗費能源,縮短低溫催花的時間對花農也非常重要。

另外,還必須配合全球市場喜好養殖蘭花,美國市場喜歡特別大的白花,像 V3 大白花;歐洲市場不喜歡大,喜歡瘦長、抽雙梗(一株有兩花梗),但大部分蘭花品系抽雙梗的比例不到 10% ,有的要達到訂單要求就用兩株一盆,相對提高成本。因此如何提高抽雙梗的比例,是市場需求的商業問題,也是重要的生物問題。所以農業生技的研究,能藉由解決生產者的問題,造福消費者,也同時探討有趣的生物問題。

這些問題目前我們農生中心南部生物技術中心研究人員解決了一半,蘭花從組織培養發育時間可以縮短 8 個月,還有一些蘭花品系抽雙梗比例可以提升到 80%。

 

蝴蝶蘭是臺灣最重要的出口花卉作物之一,過去十年間,每年都穩定成長,現在一年約是五十億臺幣的出口值。到 2016 年為止,出口到美國佔 60% 、文心蘭出口到日本佔 90%,但現在我們面臨競爭對手。一個是荷蘭,跟臺灣是夥伴、也是競爭者,因為荷蘭在歐洲有通路,所以臺灣花卉在歐洲擴展成長很慢。另一個則是中國大陸的競爭。

所以我們不能停在這裡,臺灣唯一可以競爭的,就是能一直推出新的品種。

之前有農民用育種的方式培育出第一代的「皇帝」蘭花,但要想培育出第二代,又花了十年的時間,大家都在等。因為當時沒有發現「皇帝」的第一代是「三倍體」,雙套染色體配子與單套染色體配子結合產生三倍體,產生的子代可能會因為無法產生配子、而無法再產生下一代,等於是靠運氣在育種。

如果有基因研究的工具,我們可以知道遺傳性狀跟基因的關係,就可以加速這過程。所以為什麼要做基因體研究?是要縮短等待的時間,讓農業發展不會亂槍打鳥,以後實驗的設計是有邏輯、一步一步去做。

為了達到這個目標,要累積許多蘭花的功能性基因資料庫、基因圖譜去做研究。我們以臺灣原生種蝴蝶蘭「臺灣阿嬤」為研究標的,臺灣蝴蝶蘭大花的品系幾乎都是臺灣阿嬤的後代,多子多孫因此叫做「臺灣阿嬤」,所以要做基因定序當然就選擇它,去建立了臺灣蝴蝶蘭的基因資料庫。

希望把臺灣變成不只是蝴蝶蘭「出口」的王國,也要臺灣變成蝴蝶蘭「研究」的王國,我相信是可以的。

 

「臺灣阿嬤」──臺灣蝴蝶蘭 Phalaenopsis aphrodite Reichb.f. 有個特色,勾下來有許多朵花、如瀑布一般,臺糖公司培育的最高紀錄是可以長到二十幾朵。圖片來源│施明哲提供

「臺灣阿嬤」──臺灣蝴蝶蘭 Phalaenopsis aphrodite Reichb.f. 有個特色,勾下來有許多朵花、如瀑布一般,臺糖公司培育的最高紀錄是可以長到二十幾朵。
圖片來源│施明哲提供

「臺灣阿嬤」的孩子們(臺大蘭園版)。圖片來源│施明哲提供

「臺灣阿嬤」的孩子們(臺大蘭園版)。
圖片來源│施明哲提供

問:投入臺灣農業研究,有沒有受到什麼啟發?

答:

2008 年,我剛回臺灣時看了部紀錄片《無米樂》,崑濱伯最後說:「老天給我這塊土就是要我來種田養活大眾,所以我當然要盡責任。」

後來我終於有機會看到崑濱伯,因為那一年他的米得到冠軍,看到他本人就跟電影裡面一樣老實誠懇。他們知道農業對臺灣有多麼重要,老天賦予他們這個土地來盡這責任,雖然生活滿苦的,但還是很願意做這些事,讓我非常感動。

我們做基礎科學的叫自己是 “curiosity driven”,因為對某一個問題有興趣,而去探討它的答案。我們和農民是從不同的角度在盡責,但配合起來是可以為臺灣做出更多貢獻,會覺得自己作為一個研究者,要更努力去做這些事情。

到現在,之所以會從基礎科學到注意農業的應用與永續問題,是因為我們臺灣面臨了幾個問題:第一、是糧食安全問題,目前臺灣的糧食自給率只有 30% ,亦即我們的糧食有 70% 是靠進口。第二、傳統育種的速度不能夠及時培育出新品種生長在不斷變動的環境,因此新農業的趨勢是要具有預測環境變遷的能力,再加上有快速育種的能力,及時育出符合環境需要的新品種。

當今農業發展的流行語是 “designer crop”,不只是臺灣,全世界都在做

 

「應用」跟「基礎」之間的分野沒有很大,常常就是一念之間,就能拿來做應用。最重要的是要先累積這些十字花科、水稻、蝴蝶蘭等臺灣農作物的基因資源,才能一面做基礎研究,一面也能在產業中貢獻。

 

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