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完成水稻基因組定序–邢禹依研究員

邢禹依博士與戴森博士近20年來在種子議題方面的研究合作,共同促成臺法科技交流與培育人才的種種成果,是他們榮獲臺法科技獎的原因。
 
 
 
中央研究院植物暨微生物學研究所研究員邢禹依博士,因為「國際水稻基因體定序計畫(International Rice Genome Sequencing Project, IRGSP)」的傑出表現,榮獲 2007 年臺法科技獎。而近 20 年來與邢博士在種子議題上合作研究,共同促進台法科技交流與人才培育的米雪.戴森(Michel Delseny)博士則是法國方面的得獎人。臺法科技獎是依照「臺法科技基金協議」設立,每年由臺法雙方共同選出一個科學領域的一組臺法科學家給予獎勵,旨在表揚他們對於促進臺法兩國的科技合作交流,以及人才培育的卓越貢獻。

1998 年開始進行的國際水稻基因體定序計畫,由日本、美國、中國、臺灣、法國、印度、韓國、泰國、英國、巴西等 10 國的國際水稻基因定序團隊合作,大家約定以相同的實驗材料進行定序,並在資料與技術共享的方式下產生高品質的水稻基因體序列。簡言之,就是要為水稻的 12 條染色體做基因定序,並把定序資料即時地放在網路上供全球研究者使用。

在這些國家中,除日本、美國、法國、中國和臺灣 5 個團隊獨立完成 1 條或 1 條以上的染色體基因定序外,其他國家都以合作方式完成某一條染色體的基因定序。我國團隊在中研院植物所周德源博士與邢禹依博士的帶領下,於 2004 年完成第 5 條染色體約 3 千萬鹼基對的定序,準確度高達 99.99%,涵蓋 99% 以上的基因體序列解讀。戴森博士和其法國同事在法國做的是第 12 條染色體的基因定序。

人參花組織培養 轟動一時

邢博士於 1977 年取得美國康乃爾大學農藝碩士學位後,曾在中央研究院植物所擔任助理。她以浮萍、人參等材料,在張唯勤博士的帶領下做組織培養研究,未久即發表一篇轟動一時的論文。就植物界來說,人參花稀有珍貴,一棵長在長白山上或在韓國以人工栽培的人參,種入土壤以後至少三、四年才開花。邢博士在試管裡培養人參,從體胚,發芽,到開花,竟然只有幾個月,這個「試管體胚開花」的研究成果被 1980 年 3 月的《自然》(Nature)雜誌選為封面故事。

這件事令大家對中研院植物所印象深刻,每次有貴賓到中研院參觀訪問時,都會到植物所看看什麼是組織培養。直到現在,這篇精采論文與相關資料依然高掛在中研院植物所的 1 樓長廊。

1984 年,邢博士到美國伊利諾大學攻讀農藝博士學位。當她通過與油脂有關的生化研究的博士資格考後,指導老師雷尼(Willaim Rinne)教授建議她轉到植物種子的分子生物學領域。那時候,分子生物學是個新學門,雷尼教授無法在此議題上提供指導,需做實驗時必須借用別人的實驗室,但她毅然接受挑戰轉做種子研究,後在 1987 年取得博士學位。

返國後即到中研院植物所繼續研究與種子蛋白質有關的議題。由於戴森博士在法國研究的也是種子議題,因此 1991 年他第 1 次到臺灣演講時就與邢博士認識,從此開啟兩人在學術研究上的合作關係。

戴森博士曾經參與「阿拉伯芥(Arabidopsis)多國基因體研究計畫」,很清楚水稻基因體定序的重要性。當國際上正在積極開始進行水稻基因體定序計畫時,基於臺法科技界的友好互動關係,戴森博士以法國國家科學院院士身分熱心積極地建議中研院參加,除協助我國科學家與國際計畫主席聯絡外,還協助他們參加會議,加上當時的中研院副院長楊祥發院士的大力支持,臺灣因此在 1999 年成為這個國際組織的成員之一,邢博士則是臺灣團隊的主持人之一。

六萬多水稻突變種原品系

水稻是亞洲地區的主要作物,歐美國家為何願意支付龐大經費參與水稻基因體計畫呢?邢博士表示,水稻遺傳育種研究已超過百年,無論在農業或學術研究上都保有一些基因重要性狀的研究成果,但要單打獨鬥地找出這些基因仍需耗費很高成本。如果能在水稻的 12 條染色體上打上定位點,把水稻基因圖譜(類似 GPS 衛星定位資料)做出來,就可以在染色體上搜尋,快速地找到想要尋找的基因。

又為何選擇水稻呢?那是因為水稻的基因定位點與小麥、高粱、玉米等禾本科作物類似,基因數目也幾乎一樣,差異是在水稻的基因組較小,所以基因與基因間的距離也比較小,這個差異使得水稻基因體定序的成本比其他作物低廉許多。若能完成水稻基因體定序,就可把它當作範本,當別的作物需要尋找基因時,可把水稻資料放大做為研究的起始點。

研究基因功能有許多方法,邢博士採用的是 T−DNA 插入法,就是把 T−DNA 插入基因裡,有些基因功能會因此而被掩蓋掉,例如長到 5 公分以後水稻就不再長高。但也有時候插入以後反而提高附近基因的功能,例如原本不具抗病能力的基因變成具有抗病能力。

我國團隊在中研院植物所、分生所,以及農業試驗所多位學者的共同努力下,利用 T−DNA 插入法大量製造水稻突變株,最後得到一個擁有 6 萬多品系的水稻突變種原庫,和一個擁有 3 萬多突變點的資料庫,再接下來要做的就是解讀各基因功能。戴森博士和其法國同事得到 3 萬多突變品系,可是做的方式不太一樣,他們利用基因插入法觀看插入後會剔除哪些功能,或是插進去的基因會在根部、種子、花粉或在哪一個部位表現。

預測版本必須不斷更新

整個水稻基因體定序計畫在 2005 年完成,幾乎有 3 億個水稻基因序列被寫出來。這些資料密密麻麻的像天書一樣,因此在放上網路供研究者使用以前,必須先做預測。預測工作可以利用電腦做,也可以利用實驗做。

針對第 5 條染色體的基因預測工程,邢博士請了 7 位助理利用電腦進行分析。首先做的是嘗試找出什麼地方是一個基因,這是因為基因會分段,所以要先知道它是怎麼切割的。然而預測工程只是猜測基因的起點、終點,以及它是如何剪接的,並不表示 100% 正確。預測資料放上網路以後,如果某位研究者以實驗證實這個預測是正確的,他會回覆告知。這是集合全球力量使得預測資料越來越正確的做法,也是預測版本必須經常更新的原因。

目前全球約有 30 億以上的人口以稻米為主食,面對未來糧食產量可能不足的窘境,水稻基因圖譜可協助科學家快速地找到基因,以便進行增產研究。未參與水稻基因體定序工作的國際水稻研究中心科學家 Hei Leung 博士讚許道:「國際水稻基因體定序計畫的合作成果,對於世界水稻發展將有助益,因為這個工作為水稻基因研究者提供了一本『字典』。」這本字典為解決糧荒問題帶來曙光。

邢博士不畏艱難,扛起責任,終至圓滿達成任務的精神與毅力令人欽佩。她與戴森博士近 20 年來在種子議題方面的合作研究,共同促成臺法科技交流與培育人才的種種成果,是他們榮獲 2007 年臺法科技獎的原因。

【2007年臺法科技獎得主專訪】
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