未來糧食通十八般武藝(精華版)

 
2018/09/26 余淑美 | 中央研究院院士暨分子生物研究所特聘研究員     33
 
活動(演講)時間: 2018/04/01
 

過去幾千年來,人類透過育種,已經改造了無數作物的基因,才能擁有目前豐衣足食的生活。例如本來很小的野生番茄,現在有各種大小、形狀與色彩;又如十字花科的油菜,是現今捲心菜、芥藍、花椰菜等各種蔬菜的先祖,也是透過育種而來。

 

然而展望未來,由於人口快速增加、耕地減少、及氣候極端化,幾十年內全球糧食生產將面臨嚴重短缺的巨大挑戰。余淑美教授解釋,當前全球人口約76億,到2050年預估會增加至95億,但目前糧食生產的速度其實是慢下來了;糧食產量與人口增長之間的一大缺口,該如何填補呢?再加上可預期的環境逆境,余淑美點出,我們現在寄望的,是透過生物科技,發展出「精通十八般武藝」的新農作物。

 

生物科技為育種帶來新希望

 

要增加作物產量,主要策略有兩種:一是提高單位面積產量,二是減少作物損失。然而無論哪一種策略,傳統育種都遇到瓶頸了。

 

以抗病基因為例,如果農夫本來種植的優良品種缺乏對抗新疾病的能力,傳統育種的做法,是先找出帶有抗病基因的野生品種,把野生品種和本來的優良品種雜交,產生出混合兩個品種染色體的後代,再從其中挑選較好的,與優良品種回交,如此一代代進行,讓優良品種的染色體比例越來越高,最後得到優良又抗病的新品種。

 

傳統育種的缺點主要是費時費力,上述過程至少要6 ~ 8年才能完成。相對的,現在的科技讓我們很容易找到許多具有重要功能的基因,例如只要知道抗病基因的核酸序列,很容易就可以複製,然後插到優良品種的核酸內,精確又快速,大約2~3年就可以產生新的優良品種。

 

另一個著名的例子是蘇力菌。噴灑蘇力菌早就被知道是有效對付鱗翅目昆蟲的好方法,既可殺蟲,又可避免殺蟲劑造成危害的缺點,從五、六十年前,便開始應用在多種作物的生物防治上。現在幾乎所有有機蔬菜的害蟲防治都會噴灑蘇力菌,在市面上也很容易買到國內外各種蘇力菌的產品。這種細菌很安全,唯一的缺點是價格較高。

 

後來有一些大型國際農業科技公司研發出新方法,直接把蘇力菌的抗蟲基因放到玉米中,後來也應用在黃豆、油菜、棉花等作物上。以美國的玉米為例,過去如果不噴藥幾乎沒收成,但從1996 ~ 2013年間的記錄可以發現,隨著抗蟲玉米種植面積的增加,農藥使用量卻一直在減少。

 

過去使用農藥時,無論飛機或人工噴灑,農民往往是第一線受害者,環境當然也蒙受其害。而把抗蟲基因引入作物後,許多國家農藥用量已經減少1/4 ~ 1/2,相當可觀。

 

基因工程幫助作物擁有十八般武藝

 

隨著地球環境變遷,育種學家希望育出更好的作物以對抗各種逆境,包括水災、旱災、土地鹽化、高低溫等。例如目前的糧食作物中,只有水稻較能耐淹水,因此可以研究有無可能把水稻的這種能力運用到其他作物上。又例如提高作物的根吸收肥料的效率,可以避免過多的肥料流入河川湖泊,發生優養化,導致水中生物因缺氧而死亡。

 

基因工程也可以讓作物提供更多營養,例如現在已有研究成功讓米飯含高量β胡蘿蔔素(在人體內會轉為維生素A)及微量元素,這可避免很多開發中國家的兒童因為缺乏維生素A而失明或死亡。目前也有人在研究把鐵、胡蘿蔔素、微量元素例如鋅加入米中,未來吃進米飯就同時可以吸收更多營養素。

 

現在也陸續有許多基因工程農產品等著上市,例如果實切開不會褐化的蘋果、高溫油炸時較少產生致癌物質(丙烯醯胺)的馬鈴薯,及不易腐壞、保持美觀、利於機械採收的洋菇等,新產品已經越來越多。

 

現代生物科技育種學家的目標是提高作物產量及耐逆境能力、減少肥料和農藥的使用、增加營養成份等等。最終目的是確保人類糧食安全,生產健康的糧食,同時維護環境的永續運作。【整理|科學人】

 

延伸閱讀

  1. 不怕鹽害的救世種子,《科學人》2016年9月:http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=3183