牧草生產與利用新科技:牧草的培育與基因轉殖
自然界中的野草經人為選拔成為飼養牛羊的牧草,隨著生物科技的發展,很有潛力成為生產醫藥蛋白的分子工廠揭開二十一世紀綠色革命的序幕。
 
 
 
自盤古開天闢地以來,「放牛吃草」是多麼天經地義的事,曾幾何時,人們為了讓乳牛擠出更多的奶,肉用牛長更多的肉,牛被關在牛欄裡密集飼養,不能自由自在外出覓食,而必須仰賴人們提供的草料做為營養來源。相對地,人們也盡力選拔一些營養成分高、適合牛吃的草種,並以人為方式進行栽培,這些特定的草種稱為「牧草」。當然,選育的牧草不加以管理也會野草化,成為人們眼中的雜草。

老祖宗們當初選育做為畜牧用的草種,其花器大都非常小,必須異花授粉才有少量種子產生,或是根本沒有種子,主要是以走莖或莖節分株進行無性繁殖。因此,只要選定外表株型優良的草種,就可藉由分芽分株等無性繁殖方式形成族群。

靠傳統分株分芽的方式無性繁殖,常受氣候等生育條件的影響,無法短時間內大量繁殖,且易遭受病原菌的感染,並不適用引種或做為種原的保存。而利用植物組織培養技術,就可解決上述的問題。

牧草試管培育的應用

植物組織培養技術,簡單而言,就是取植物體一部分的組織,在試管內進行無菌培養,這些組織可進行細胞分裂,再分化產生新的植株,稱為再生植株。如根、莖、葉、幼穗、花、種子都可做為培養的材料,稱為培殖體。把培殖體消毒後,放置在含有不同生長調節劑的培養基中,這些培殖體的部分細胞可進行分裂,直接產生芽體或細胞團(又稱癒合組織)。把這些芽體或細胞團移至含有生長調節劑的培養基中,可促進其分化成完整的植株。

國內從事牧草無菌試管苗的培育,已經建立盤固草及尼羅草的組織培養系統。對新品種的推廣,如盤固草選育一號的大量繁殖,也已建立試管苗的生產技術,並逐步以組織培養的方式保存牧草種原。

基因轉殖的技術開發

雖然無性繁殖的方法可保存基因組不變,但氣候會變遷,栽培條件會改變,一成不變的基因組成,遇到超強的突變病原菌或蟲害,很可能落入毫無招架之力的境界,一夕之間全毀。這是牧草育種家非常憂心的事,因此想盡辦法增加現有牧草品種的遺傳變異,導入新的遺傳資源,利用新興的基因轉殖技術把有用的基因導入牧草內,一方面可進行牧草品種的改良,另一方面,可以導入醫藥用蛋白質,讓牧草扮演生物工廠的角色。

盤固草A254是臺灣栽培最廣的牧草品種,民國90年的栽培面積是4,817公頃,每公頃年產量約80公噸,全年鮮草產量約385,000公噸,產值有5億元之多。它非常適應臺灣的氣候條件,生命力強,繁殖速率快,無病蟲害,不需噴灑農藥,可全面機械化採收,只要種一次,以後每年就可收穫四至五次,是臺灣乳牛最喜歡的牧草之一。

二十幾年前,把盤固草A254由南非引入臺灣種植時,發現它跟無子西瓜一樣,不能產生種子,主要是花粉沒有活力,因此可避免其花粉與其他物種雜交,或雜交後種子隨風飄散,形成沒人管理的野草。相對地,盤固草無法透過授粉過程注入新的遺傳資源,只能以匍匐莖繁殖,雖然可維持同樣的基因型,但萬一遇到從未發生過的病蟲害,則易產生寸草不留的結果,對畜牧業與生態環境影響甚劇。因此,新的遺傳因子注入對盤固草育種是相當重要的一環。

隨著基因轉殖技術的進步,使物種注入新的遺傳組成變得較為容易。利用盤固草未成熟花穗,在適當的培養基內給予生長素刺激,誘導體細胞分裂形成具分化能力的胚狀體,就是關鍵技術。同時,利用基因鎗的彈道壓力,以散彈打鳥的方式把gus基因(beta-glucuronidase) 及抗抗生素基因打進盤固草的細胞,被基因鎗轟擊過的細胞,要能恢復細胞分裂,並分化成具根莖葉的完整植株。

gus基因可合成醣解酵素,只要給予特定受質就可呈現藍色反應,常用於追蹤轉殖成果。若盤固草帶有轉殖的抗抗生素基因,則在含抗生素的培養基中可正常生長。利用gus基因及抗抗生素基因的篩選,已初步建立盤固草基因轉殖的技術平臺。

利用相同的技術,如果把口蹄疫鞘蛋白基因導入牧草,以後牛或豬吃基因轉殖牧草就不會得口蹄疫。把乳鐵蛋白基因導入牧草,小豬吃基因轉殖牧草就可以預防拉肚子,減少抗生素的使用。如果把抗塵基因導入牧草,小朋友吃了基因轉殖牧草就不再流鼻水過敏了。此外,可以把微生物吸附汞蛋白基因導入牧草,在重金屬汞污染地種植基因轉殖牧草,讓牧草扮演大地的清道夫,再集中燒毀,恢復潔淨的大地。產官學界目前都在努力開發這些技術,希望有朝一日能夢想成真。
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