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除草劑與基因改造食品

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林天送｜美國聖路易華盛頓大學化學系暨神經科學系

近年來人人朗朗上口的綠色環保、綠色化學，指的是節省能源、資源回收、減碳、不汙染大自然的措施。但在50年前，綠色政策與綠色革命指的是提高農耕收成、解決饑荒的措施。

1960年代不少國家鬧饑荒，尤以人口稠密的印度最嚴重。當時美國植物病理專家布勞格（Norman E. Borlaug, 1914-2009）提出了農耕機械化、品種改良、水利、肥料供給、除蟲、施用除草劑等政策以解決饑荒問題，這些措施先在墨西哥實行成功（1950至1960年）。爾後透過聯合國，印度與巴基斯坦都邀請布勞格擔任顧問，在這些國家實行綠色改革，5年內糧食產量都各增加了好幾倍。因此布勞格被稱為綠色革命之父，由於他的卓越貢獻也榮獲1970年諾貝爾和平獎。

本文介紹綠色革命發展過程中的兩個新產品：除草劑及基因改造（genetically modified，簡稱GM）食品，尤其是孟山都（Monsanto）公司開發出來的二個產品：Roundup除草劑及RoundupReady大豆。

小百科

Roundup是1970年代孟山都公司開發出來並註冊的產品，是全球最暢銷的除草劑，2008年的銷售總值是30億美金，占該公司盈利的一半。它的化學成分是嘉磷塞異丙胺鹽（isopropylamine salt of glyphosphate），簡稱嘉磷塞（glyphosate, N-(phosphonomethyl)glycine），作用是「抑制」植物的生長合成酶（EPSPS，5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶，5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase）。

EPSPS是促進植物生長的酶（enzyme），因此任何植物吸收了Roundup，就會停止合成EPSPS。沒有這種生長合成酶，植物會枯黃，幾天內就枯萎而死。

孟山都公司開發Roundup除草劑成功後，開始研究基因改造種籽（GM seeds），如玉米、大豆、棉花等。他們發現這些植物經過基因改造後，能產生類似EPSPS功能的酶，並能抵抗Roundup除草劑，因而不怕除草劑的侵犯。孟山都就順勢推出抗Roundup的基因改造種籽，叫做RoundupReady 農作物。

靈機一動

孟山都原是化學產品製造公司，也是阿斯匹靈的大產商，在1950年代才開始從事農業產品，如肥料、除草劑等的開發。1960年代成立農產品研究單位，由哈姆（Phil Hamm）負責農藥研究，並僱用了年輕化學博士弗蘭芝（John Franz）從事除草劑的研究。

當時的農藥都含有高毒性的無機材料如硫、鉛、砷等，佛蘭芝的工作是合成低毒性的有機材料，他開始尋找除草劑來控制雜草。當初的目標是找尋能除「雜」草，但不會傷及其他糧食農產品的農藥。

1969年哈姆發現一些磷酸鹽可能有除雜草的功能，他就請弗蘭茲合成一些磷酸鹽的類似物和衍生物，希望能找到更好的除草活性，但是弗蘭茲合成的幾個磷酸鹽並沒有除草功能。於是他從植物代謝過程著手，嘗試找出這幾個化合物的特性，他開始記錄類似物的代謝產物和相關的化學反應等。

1970年5月弗蘭茲合成了嘉磷塞鹽，初步測試顯示這種化合物有極佳的除草功能，幾乎所有噴灑到這鹽類的植物在幾天內就死光。這雖然沒有達成原來只除「雜」草的目標，但是它有如此強大的功能卻是驚人的。於是弗蘭茲又嘗試在未播種之前就先噴灑嘉磷塞鹽以除雜草，但種植期間仍然會有雜草出現，影響到農作物的收成。雖然弗蘭茲並不是第一個合成出嘉磷塞分子的人，但用它做除草劑卻是前所未有。

基因改造食品的開發

基因改造農作物及食品，如大豆、玉米、稻米、馬鈴薯、番茄、棉花等，已經逐漸上市。這些改造品各具不同特性，如基因改造的番茄不容易變軟壞損，因此可以提高2至3倍的保存期；基因改造的稻米能產生維生素A；改造的棉花不怕熱也能抗蟲害等。以下我們來看看第一個也是最受注目的基因改造大豆。

早在1960年代，孟山都的生物化學家賈沃斯基（Ernie Jaworski）博士就開始研究植物細胞組織結構與各種農作物的DNA構圖。1972年他開始研究嘉磷塞鹽能殺死植物的機制，發現它能阻擋EPSPS的生產路線並抑制植物的成長。1981年，賈沃斯基成立了一個分子生物學小組負責植物基因改造研究。1984年，他們已經能把新基因引進植物細胞，並且進一步研究基因改造品種。

1980年代，孟山都在路易斯安那州製造Roundup除草劑的工廠發現一種「超級細菌」，這些細菌藏身在廢物處理設施中，能分解嘉磷塞鹽，也就是說有抗拒除草劑的作用。於是他們分析了這些細菌的細胞組織，尋找細菌分泌的蛋白質，想利用相關聯的基因來合成不怕嘉磷塞鹽的基因組。

孟山都的科學家發現細菌也如同植物能製造EPSPS，但有一細菌CP4雖能分泌類似EPSPS（稱為EPSPS-2）的酶，但不會被嘉磷塞鹽破壞。他們就著手找那基因，再用基因工程的方式把那基因引進植物，這基因改造的植物也就不怕噴灑嘉磷塞鹽了。

孟山都1996年推出RoundupReady大豆，目前也有RoundupReady玉米。採用這些RoundupReady種籽及施用Roundup除草劑，其收成率及利潤可提高數倍，這些RoundupReady種籽就被稱為「超級農作物」（supercrops）。

健康與環保的爭議

一個處理有關生物界問題的新產品常常會帶來後遺症，尤其是除草劑或殺蟲劑。如1950年代的DDT殺蟲劑風光一時，發明DDT的化學家姆拉（Paul Müller）還得過1948年諾貝爾醫學獎。但後來發現DDT有毒性，會破壞人體的激素分泌系統，而被禁止製造與使用。近年來的研究也發現，Roundup及GM食品的使用可能會引起健康與環保的問題。

先來看Roundup對人體的可能傷害。雖然Roundup的成分是用來終止植物生長酶的合成，以阻擋植物生長，動物和人類並沒有類似的合成酶，應該不至於對動物有什麼傷害。但是使用時為了使這成分容易滲入土壤以利植物吸收，它必須先溶解在界面活化劑（surfactant）及一些特定配方中。

動物實驗發現，如果接觸過多，會傷害到皮膚、肝臟、食道、喉頭、腎臟等，有文獻指出它也會破壞小鼠的胚胎細胞。這些研究結果已促使好幾個國家，如加拿大、澳洲等制定了禁止使用Roundup的規章。

此外，一些雜草也慢慢演化而有抵抗Roundup藥性的能力，澳洲就發現有些雜草不怕Roundup，被稱為「超級雜草」（superweed）。這很類似先前有一些容易被抗生素殺戮的細菌，轉變成兇猛而不怕抗生素的「超級細菌」（superbug）。所謂「道高一尺、魔高一丈」的現象，這是達爾文演化論的見證。

基因改造的食品來自改造基因的農作物，或在農作物細胞中加進一段不怕Roundup除草劑的CP4細菌基因，它對人體的健康會帶來什麼長期的影響，目前無法預測。難怪GM農作物並不是很受歡迎，尤其在歐洲與日本。

孟山都公司的Roundup及RoundupReady種籽的發明，改變了孟山都公司的屬性，由化學產品公司轉變成農業產品公司。孟山都公司的這兩個產品可提高農耕收成率數倍，因而在美國與南美洲都廣為採用。台灣雖然不使用Roundup產品，但是幾乎市場上的豆腐所使用的大豆都標明是GM，可能是來自中國大陸、美國或南美洲。

Roundup的主要成分是嘉磷塞鹽，但是其詳細配方仍然是商業祕密。雖然專利於1990年就已失效，但它的Roundup註冊商標仍然有效，目前中國已經從事仿製，惟仿製的除草劑效果如何並不得而知。

此外，孟山都公司為了確保商業利益，在基因組合上放了一個標誌使農戶不能從種植的「改良」產品培養種籽，也就是每次都必須向孟山都購買基因改造種籽。

深度閱讀

http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1970
http://en.wikipedia.org/wiki/Borlaug
http://en.wikipedia.org/wiki/Roundup
http://www.monsanto.com/

資料來源

《科學發展》2011年7月，463期，72 ~ 75頁

殺蟲劑(14) 丙酮(5) 科發月刊(5210)

除草劑與基因改造食品

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