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尋覓抗逆境農作物,為什麼送種子上太空?——專訪國立中興大學農藝學系楊靜瑩特聘教授

113/04/23 瀏覽次數 2615

為什麼送種子上太空?

亙古以來,一代又一代的人類仰望天空,衍生無數想像,卻無法親眼見證。美國、蘇聯為首的「太空競賽」在上個世紀中期帶來一波熱潮,爾後幾十年後相對平靜。近年由不同國家支持的大型探索任務,以及由商業公司主導的靈活小型計畫,又將太空重新放上競逐檯面,爭相投入籌碼。

然而,太空熱潮催生無盡想像的同時,有一個極為重要的關鍵,很容易為一般人忽略,那就是食物。在科幻電影《絕地救援》(The Martian)中,麥特戴蒙飾演的太空人在火星等待救援,得靠種植馬鈴薯維生。人要長期在地球以外的環境生存,必須能自行生產糧食,更具體說就是種植農作物。

假如將太空視為一種「逆境」,太空農業便是尋找對抗逆境的農作物。其實,當我們將目光拉回地球表面,也會意識到:這不只是科幻想像,也是文明發展、人口增長、氣候變遷、極端天氣事件之下的再現實不過的挑戰。而這個挑戰一直掛在楊靜瑩教授的心上。

楊靜瑩教授任職於國立中興大學農藝學系,她與同儕和國家太空中心合作,2020 年參與 「太空種子亞洲未來」(Space Seeds for Asian Future, SSAF)計畫,選擇四種植物的種子,送上太空站一段時間,回到地球後再分發給臺灣的學生種植。除了提升大眾的參與感,這類活動真正的意義是什麼?

楊靜瑩教授實驗室成員與臺灣藜誘變品系合照。圖片來源:楊靜瑩教授提供

楊靜瑩教授實驗室成員與臺灣藜誘變品系合照。圖片來源:楊靜瑩教授提供

食物也是太空科技的一環

我們可以從兩個方向思考,第一個方向是「在太空發展農業」。目前人類無法在月球、火星等外星球居住,在太空站可以生活較久一些,卻要由地球供應糧食。假如可以在太空中自行生產,不但能降低成本,更是未來進一步殖民外星球的基礎。

許多人沒有意識到,食物也是太空科技的一環。

說起能在太空生存的生物,某些讀者可能會想到「水熊」,事實上水熊和農作物的狀況差異很大。對水熊來說,所謂的存活,意思是完全脫水後進入深度休眠,新陳代謝降到極低,維持很長一段時間,再度接觸水又可以復活。人類在太空需要的農作物,卻不能總是長眠不醒,必須能夠正常生長,成為人類的糧食,最好還能持續繁衍。

除了土壤、營養等資源以外,在太空繁衍植物還有別的挑戰。我們熟悉的所有農作物都習慣在地球表面生長,然而太空與地表重力不同,而且輻射更強。

儘管如此,目前已經成功在太空站種植的重要植物,至今超過二十種,像是小麥、玉米、水稻等糧食作物,以及大白菜、萵苣等蔬菜。雖然離自給自足的理想,仍有極大的進步空間,人類總算是踏出第一步!

回到地球表面

第二個方向是「尋找地表的抗逆境農作物」。楊靜瑩教授透過計畫送上太空的種子,並不是在太空站種植,而是送回地球。經歷輻射、重力、噪音、溫度變化等因素後,種子會獲得突變,可能影響植株的性狀。

臺灣分配到的種子受限於載運量,重量總計只有 50 公克。因此選擇具特色的四種植物種子,包括臺灣不陌生的經濟作物:甜椒、向日葵;以及臺灣原生種:姬蝴蝶蘭、臺灣藜。蝴蝶蘭是臺灣人相當熟悉的觀賞花卉,目前幾乎都採取無性生殖的組織培養;不過姬蝴蝶蘭是臺灣原生種,以種子生產還是有其特殊價值。

回到地球表面的多數種子,後來又分給不同國小、國中、高中,增加臺灣學生的接觸機會。楊靜瑩教授團隊最深入研究的則是臺灣藜(Chenopodium formosanum),它和原產於南美洲的藜麥(Chenopodium quinoa),分類上同為莧科藜屬的物種,是臺灣原生種,農業上算是一種營養豐富的「雜糧」。

上過太空的臺灣藜種子,以培養基種植後,確實能觀察到變化,有些植株的子葉畸形或發育不良,也有些沒有異狀。隨後田間栽培則發現更多差異,例如植株矮化、對蟲害更敏感、主穗巨大化、主穗顏色不同等性狀。

臺灣藜之田間種植情況。圖片來源:楊靜瑩教授提供

臺灣藜之田間種植情況。圖片來源:楊靜瑩教授提供

 

你知道怎麼選出又大又好吃的品系嗎?

話說回來,抗逆境農作物是什麼,有哪些價值呢?就像人類有舒適區,植物生長與繁殖也有合適的條件。農作物會感染疾病,被蟲咬傷或吃掉,太乾、太濕、太冷、太熱都不行。

人類栽培的每種植物,都可能面臨不同逆境,能克服逆境的品系,便是抗逆境農作物。例如在遭遇暴雨之下,不會被洪水淹死的水稻;或是在寒冷乾燥的田地間,耐寒耐旱的玉米。

植物自然生長,本來就會產生突變。人類嘗試種植農作物,歷史已經超過一萬年,一代一代農夫挑選合適的品系。現代人更用各種科技加速進程,誘發基因突變,簡稱為誘變。

這些方式可分為物理誘變,例如輻射;化學誘變,例如化學藥劑;以及生物誘變,例如組織培養。近年突飛猛進的生物科技,如 CRISPR 遺傳改造,又有不同方式,甚至是否應該視為基因改造食品也有爭議,狀況複雜。而前述的種子上太空,則可以視為低氧、微重力、高輻射、噪音等綜合因素的誘變。

在變動的世界中維持產量

大多數栽培的植物都可以人為改造,挑選想要的品系,不同農作物的需求又有區別,例如生產期短,從種植到收穫歷時較短的西瓜、蘿蔔,只需迎合當年的氣溫和雨量。可是多年生長的茶樹、果樹,會經歷較長期的環境變化,考量就會不一樣;倘若預期氣溫波動較大,或許便需要更廣的耐受溫度。

楊靜瑩教授強調,水稻、小麥、玉米等糧食作物,是社會不可或缺的基礎。糧食作物最重要的特質,是克服逆境之下還能維繫產量及品質,理想的抗全面性逆境作物其實不容易獲得。

人口增長、土地開發的壓力,極端事件、氣候變遷的災害,以及種種天災人禍導致的糧食短缺,對不同地區的影響不一。現今臺灣算是豐衣足食,幾乎不會真正缺糧,通常是價格波動的經濟問題;可是許多地方並不那麼幸運,缺糧確實會導致廣大人群的生存危機。

把上太空和農業聯想在一塊,或許不是大多數人的第一直覺,然而它們皆為人類邁向未來,需要持續突破的方向。透過太空取得突破,回頭來幫助生活在地球這艘母艦上的所有人,抗逆境農作物在其中,具有不可或缺的一席之地。

資料來源
  1. 採訪國立中興大學農藝學系楊靜瑩特聘教授
  2. 水熊蟲:登月微生物展現打不死的超強生命力
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