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作物品種的改良

國外學者已經對諸如耐旱、耐鹽、耐熱、耐寒、耐淹、抗病蟲害等逆境的研究,投入相當大的資源,期以分子技術開發與利用各種作物因應逆境的因子。
 
 
 
民以食為天

民以食為天,人類生存的首要條件就是糧食。從新石器時代出土的文物,可推知當時人類已知炊煮、做陶器、編織毛皮與植物纖維為衣。最重要的是人類由游牧生活進入農業時代,已知如何鑑別可利用的野生植物,更由馴化植物及動物而成為養育動、植物。考古學家估計,最早的植物馴化約發生於9千至1萬1千年以前,在伊朗與伊拉克之間的北部,底格里斯河沿岸丘陵的Jarmo鎮。

隨著社會的發展與人口的增加,對糧食的需求愈來愈大,遠古時代逐水草而圈養、馴化植物已無法滿足所需。於是,人類開始「改變」或「企圖改變」作物,以增加其利用價值,即所謂的「作物育種」,也就是改良作物性狀,使它變成比現行品種有更高利用價值的新品種。作物育種是根據遺傳學原理,並應用生物統計方法,進行精確的田間試驗,期使在同一氣候、同一土壤及同一栽培法下,能獲得優良品種的作物並達到豐產目的。

作物育種古已有之

中國自古以農立國,改良品種的事最早見於《尚書》:「唐叔得禾,異畝同穎,獻諸天子,王命歸周公于東,作歸禾。畝,壟也,穎,穗也,禾各生一壟,而共為一穗,天下禾同之象,周公德所以致,故歸之。」似已知採集單本,分別種植,擇優去劣,育成新品種。又漢朝汜勝之氏曾說:「取麥種後熟可獲,擇穗之大強者,暫束立場中高燥處,曬使極乾。」其中,「擇穗之大強者」,以現代眼光來看,就是一種選出優良品種的方式。

作物育種以改良品種為目的,品種就是用普通繁殖方法,而仍能永恆保持其某一項或某幾項特定遺傳的栽培材料。換言之,凡屬同一品種的個體,都有同樣特徵,且這類特徵顯然與其他品種有別,又能確實遺傳給後代而不致變化。因此,當野生植物被栽培者利用,經過自然及人為淘汰就成為作物。在同一種作物中,再依栽培者的目標,認定某種特異形態或生理的形質做為對象,經年累月地淘汰、選拔,得到與其他作物不同的特性,就是新品種。

自無變有的引種

作物一旦進入人類的生活,就被檢視產量多寡、品質優劣、成熟早晚、病蟲害抗性、環境抗性(如抗旱、抗寒、耐鹽、耐水)等。為滿足所追求的目標,人們向各地蒐集現成材料試種或利用,這是「引種」。選擇適應、表現優良的直接供應本地栽培,雖不能視為真正的育種,但好處是既經濟又快速,可以節省時間與金錢。早期各農事機構多採這種方法,寄望引進新品種後能適應本地環境,尤希望其生育能力、產量及品質都勝過本地種,不乏成功的案例。

目前臺灣落花生「臺南選9號」,就是民國50年自越南引種而來,經試種、選拔、符合產製花生油的目標而命名;甘藍「初秋」品種自日本引入後,稱霸60~70年,仍是現在甘藍主要栽培品種;1960年代從美國引入的愛文芒果,現仍是我國外銷日本的旗艦水果;麻豆文旦則更早於清朝康熙40年(1701年)由福建漳州引進種植於嘉義、宜蘭等地區,直至道光末年(1850年左右)才在麻豆地區種植,而迅速成為麻豆進貢的聖品;其他尚有茂谷柑、荔枝、咖啡、火龍果等都是經由引種方式,落地生根成為優良品種。

當然,自外地引入新品種可能有一些壞處,必須小心防範,否則會帶來蟲害或病害,因其天敵可能被留在故土而缺乏天敵抑制,對新地區的農業造成各種災害。歷史上充滿這類慘痛實例,福壽螺就是一例,至今只要有水的地方,都可看到其危害。另一是銀葉粉蝨,來自聖誕紅植物夾帶進來,只要有綠色植物都可見到牠的蹤影。

優生的雜交品種

當引進的品種無法滿足人們所需,如何創造一個更優良的品種?於是有人選擇兩個優良植物,經過人為授粉產生另一個新的個體,這是雜交,目的在創造新的變異,增加新優勢。

要進行雜交組合,必須對作物的遺傳特性與品種優劣、作物花器構造、開花習性與授粉方式,充分且徹底了解。尤其開花習性,一般花開於清晨,但有些花如火龍果在三更半夜開花;有些是雌雄同花或雌雄異花,但有些只開雄花或只開雌花。選定之後,有如月下老人,幫它們牽上紅線,繁殖後代子孫。

當雜交成功後,尚需在雜交後代的分離個體中篩選變異及鑑定優良特性。如《後宮甄嬛傳》皇上選妃般,每個妃子(作物)必須經過檢查,看有無生病(缺陷)、身高合不合乎標準、會不會生育(繁殖下一代)、出不出眾等,萬中選一。三千寵愛集一身後,一路從答應、常在、貴人、貴妃,過關斬將終成皇后,也就是新育成的品種。

但這新品種是否能持久,則視其對環境的適應力、能否開枝散葉、是否具有特色,否則江山代有才人出、一代新人換舊人,很快就會被取代。經雜交選種而登上后妃的有水稻「臺南11號」,自93年命名後迄今,栽培面積占全臺50 % 以上,約9~10萬公頃;落花生「臺南11號」自75年命名後,栽培面積占全臺75 % 以上,但90年代後被「臺南14號」取代至今,後者栽培面積約1.5~1.7萬公頃。

分子育種的吸星大法

1953年DNA雙螺旋結構的發現,開啟了分子生物學的研究大門,育種進入微細DNA ─ 基因的層次。人們找尋作物特定性狀的基因物質上的標記,並利用這些標記偵測與目標性狀之間的關聯性,讓以往皇上選妃的表現型的育種選拔方式,走向超時空的基因型方式,由基因層次達成培育新品種的目的。分子標誌輔助育種開創了一個全新的學術領域。

好處是可以縮短育種年限。一個個體的重要性狀有些在幼年期就可表現出來,不需等到成熟期便可及早確定這品種是否具目標性狀,且可同時篩選不同的目標性狀;另帶有隱性基因的,原需再進行一次自交才可確認,現在可藉由MAS(分子標誌選拔)直接檢測確認;抗蟲抗病的性狀,可直接偵測這群基因以確定表現強度;不受時空的限制,進行季節型∕地域型性狀的篩選育種。

目前成功的案例,有國際稻米研究中心利用MAS分子標誌技術育成耐淹水及抗白葉枯病的水稻品種等。臺灣第1個利用分子標誌育成的品種是水稻「臺南16號」,由臺南區農業改良場與臺灣大學共同完成,把臺灣水稻品種特有的日長不敏感基因導入日本越光水稻,育成適合於臺灣環境栽培的優質水稻品種。

耐逆境育種

一般從事農業者如想達到增產的目標,做法不外乎改善作物生長環境及育成優良品種二種。近年來,世界各地因地球暖化和氣候變遷,造成極熱、極冷、極旱、極溼等極端氣候。大氣中二氧化碳濃度增加,溫室效應加劇,環境溫度升高,使得作物生長發育受阻,產量不增反減的現象。

極端氣候促使農業氣候災害發生,海水侵蝕、地層下陷及土壤鹽化、高緯度地帶降雨減少而低緯度或赤道區降雨增加,使土壤水分含量分布改變。土壤中有機質的減少,導致土壤質地日益惡化、作物生長發育發生障礙、糧食生產減少,以及病蟲害的發生頻率提高等。

人類因此思考開發具高逆境(stress)調適能力的新品種,或改善現有品種的耐∕抗逆境能力。耐逆境可分耐非生物性逆境及耐生物逆境二大方面,前者包括耐旱、耐鹽、耐熱、耐冷、耐倒伏、耐淹水等,而後者主要包括抗病(耐病)、抗蟲(耐蟲),藉以降低糧食缺乏的危機。我們可以從3個方向著手。

首先是種原材料的蒐集、評估與利用。自種原庫尋找與目標環境相關的品系或個體,例如耐旱的水稻品系,或自國外類似環境引進耐逆境品種,以供轉移至國內栽種利用評估,或以化學誘變創育耐逆境的材料供利用。

其次,用傳統育種方法進行耐逆境作物的篩選,例如把水稻秧苗放入添加了200‭ ‬mM鹽的水耕液中進行鹽分逆境處理;或用看天田方式進行耐旱逆境選拔,或在高溫環境下,進行耐熱作物選拔,如蔬菜甘藍「臺南2號」、「臺中2號」,不結球白菜「臺南3號」等都是。

再次,運用分子生物耐逆境基因圖譜定位及分子輔助育種方式。目前作物抗病、耐逆境、開花、老化等各種基因分子標誌已陸續解出,鎖定特殊的基因性狀如抗病蟲害基因、耐鹽基因等,做為基因選拔的材料導入現有品種,直接達成效果。

近年,運用新興的分子輔助標誌技術,或混合使用上述三者,已得到更佳的效率。

逆境育種研究解決糧荒

育種需要詳細的觀察與不斷重複試驗才能達成,在全球暖化下,臺灣將因高溫、豪大雨、異常乾旱、土壤質地劣化、病蟲害發生率增加等,造成糧食作物的減產。

國際農業生技產業應用服務中心(ISAAA)在2007年就指出,未來全球糧食供應將短缺,預估有8.52億人會飽受飢餓、營養不良之苦,有13億人在貧困線上掙扎。

國外學者已針對諸如耐旱、耐鹽、耐熱、耐寒、耐淹、抗病蟲害等逆境研究,投入相當大的資源,積極尋找不同抗性種原,更全力發展分子標誌輔助選拔,期以分子技術在短期內開發與利用各種作物抗逆境的因子。

為確保臺灣糧食的自給自足,以及農業的永續經營,抗逆境育種的研究與發展扮演著關鍵性的角色。
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