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黃金米的故事

在科學的發展上,黃金米的問世是一項非常重要的突破,在此之前,沒有人能成功改變一整個生合成的過程。除此之外,黃金米也是第一個為拯救生命而研發成功的基因改造作物。
 
 
 
故事從 Dr. Ingo Potrykus 開始講起。這位植物學家 1933 年 12 月 5 日出生於德國 Hirschberg,Silesia,幼年時代享受了短暫的平靜生活,直到 1945 年 2 月家園受到俄國軍隊的入侵,不得不逃難到巴伐利亞北部。在二次世界大戰結束前幾天,他失去了父親,當時母親才剛生下了妹妹。在母親含辛茹苦的撫養下,家中的 4 個孩子都受到很好的教育。

Potrykus受到的科學訓練

年輕的時候,Potrykus 對生物學非常感興趣。原本他打算當個生物老師,在因緣際會之下,他來到位在科隆的植物育種研究所(Max-Planck-Institute for Plant Breeding Research),參與植物遺傳學方面的研究工作,其中植物的細胞全能性令他非常著迷。

所謂細胞全能性是指植物的體細胞在適當的養分條件下,可以發育成完整的植物。他對植物的熱情,促使他在霍恩海姆大學的植物生理學研究所讀博士班,師承 Dieter Hess 教授。自 1970 年開始,他們的工作是,試著使分離出來的植物原生質體(沒有細胞壁的植物細胞)培養成完整且具有開花結實能力的植株。他的第一個植物材料是矮牽牛,最後,他以植物細胞的全能性為主軸完成了他的博士論文。

時當 1960 年代晚期,正是綠色革命達到巔峰之際,再加上 Potrykus 曾經有過一段顛沛流離的難民生活,令他對於發展中國家的糧食問題十分掛心。於是選擇做為一個他所自稱的「植物工程學家」,希望能夠對全世界做出具體的貢獻,而非只是紙上談兵。

1973 年,Potrykus 拿到博士學位後,覺得當時一些組織培養系統已經研究得很完整的植物,包括菸草和矮牽牛,最終可以應用的範圍有限。於是開始把他的研究方向轉移到穀類作物,並選擇從大麥開始,把他在博士論文中建立的技術應用到穀類作物上。花了 6 年的時間,試過的植物包括大麥、小麥、玉米及黑麥。在這些嘗試中,最好的結果也只能再生出 60 個細胞的球狀胚原體,即使試過 7 種生長激素的各種濃度組合,也無法使這團細胞繼續發育。

儘管並無突破性的發展,這些研究成果仍受到瑞士巴瑟爾研究所(Friedrich Miescher-Institute)的注意。1976 年,該研究所邀請 Potrykus 和另外兩位科學家組成了植物研究團隊,主要的工作目標是穀類作物的基因工程、誘變及單倍體培養。

一直無法找到使穀類作物的葉肉細胞原生質體再生的方法,讓 Potrykus 開始思考在葉片分化的過程中,何時失去再生的能力。他們發現穀類作物在葉片長到 0.3 公分的時候,便停止分化。由這結果顯示,繼續使用葉肉細胞做為材料,無異於緣木求魚。於是,他們轉而誘導體胚,其中在高粱的研究上尤為成功。

時序進入到 1980 年代。這時生物技術的發展有很多重大突破,包括以農桿菌為媒介的基因轉殖技術。當時科學家相信,農桿菌的轉殖技術成功的要件之一是,植物必須先受傷;而禾本科的植物,在傷口周圍的細胞會死亡,因此當時認為農桿菌無法應用到穀類作物上。

在這樣的情況下,Potrykus 繼續把注意力放在發展讓 DNA 直接進入原生質體的方法。兩年之後,他們成功培養出轉殖玉米細胞,然而,仍無法成功得到轉殖玉米植株。隨後發展出來的穀類懸浮培養體胚,開啟了另一扇門。當時由康乃爾大學兩位科學家為首的研究團隊研發出的基因槍,利用體胚成功地轉殖了包括水稻、玉米在內的穀類作物。

1985 年,Potrykus 來到瑞士的蘇黎世聯邦理工學院擔任教授,並負責籌劃設立植物科學研究所。在這裡,由於有充分的主導權和經費支援,Potrykus 可以全心投入把基因工程應用到糧食作物上的研究。在嘗試過各種方法之後,終於在 1990 年,成功地利用分離自水稻體胚的原生質體得到轉殖水稻。

黃金米的研發過程

植物生技的另一個重要的轉折是在 1992 年,當時世界農糧組織發布了「世界營養宣言」,提到百分之二十的全球人口有營養不良的問題,並以婦女及孩童為主。在非洲、亞洲和拉丁美洲,很多 5 歲以下的兒童缺乏一或多種維生素,例如鐵和維生素A。這使 Potrykus 了解到除了飢餓之外,發展中國家也遭遇營養失調的問題。這時,Potrykus 受邀到紐約參加一場由洛克斐勒基金會舉辦的研討會,會中包括來自國際水稻研究所的多位專家學者,共同討論希望能解決糧食不足和營養不良的問題。

在這次的會議中,Potrykus 了解到營養方面實際上遭遇的問題。根據世界衛生組織的統計,每年有一百萬人因為缺乏維生素A而死亡,其中半數以上是孩童。在一些發展中國家的貧戶,婦女懷孕的時候便缺鐵和維生素A;若是胎兒能夠順利出生,也和母體一樣有缺維生素A的問題,使得免疫能力低下,只要輕微的感染,就會引發嚴重的後果,導致死亡。

世界各國都有相關的醫療政策來保障人民營養均衡,比方說,在食品中添加一些不容易被攝取的微量元素。最好的營養均衡方法,便是選擇多樣化的食物。然而,有營養缺乏問題的貧戶,經常只有主食可以吃。因此,解決方法是在主食中添加這些需要的營養素。

以缺維生素A為例,若是可以在主食中添加胡蘿蔔素,食用之後,胡蘿蔔素可以被人體分解成維生素A吸收利用。問題是非洲或東南亞國家的主食是水稻,無論是哪一個品種的水稻,在食用的水稻胚乳部分並無類胡蘿蔔素。因此在這次的會議中,與會的專家學者們都認為無法利用傳統的育種方法,培育出含有類胡蘿蔔素的水稻。

這場會議對於黃金米的誕生,扮演了一個重要的關鍵角色。不僅僅因為這場會議的內容給了 Potrykus 研發黃金米的靈感,也給了他機會認識黃金米的共同發明人 Peter Beyer。這位比 Potrykus 年輕 19 歲的德國科學家,專長是植物的次級代謝,例如維生素E及K,還有類胡蘿蔔素,而他工作的弗萊堡大學,距離 Potrykus 只有兩小時車程。Potrykus 和 Beyer 在紐約的會議中一見如故,很快地便一起寫了一份計畫書。

在這份計畫書中,提出了要把參與類胡蘿蔔素生合成過程(biosynthesis pathway)的幾個酵素,利用基因轉殖的方法送到水稻中,培養出可以在胚乳中累積胡蘿蔔素的水稻。這是一項十分大膽的提議,因為當時轉殖水稻仍然十分困難,更不要說一次轉殖多個基因來調控一整個生合成過程。

Potrykus 和 Beyer 把這份計畫書送到洛克斐勒基金會,希望他們願意提供經費支援。大多數的審查委員都不看好這項計畫,但如果成功,可以拯救成千上萬條人命,因此,他們決定冒險一試,於是批准了這項大膽的計畫。就這樣,黃金米的冒險故事於焉展開。

即使對提出這項計畫的 Beyer 來說,在計畫開始之初,他也抱持著懷疑的態度。要在水稻的胚乳中累積胡蘿蔔素,必須送入 4 個酵素,送入的這 4 個酵素必須以一種協調的方式運作,才能真正如預期地合成胡蘿蔔素。

相對於他的合夥人,Potrykus 則是十分積極。第一個重大的突破,在 Peter Burkhardt(Potrykus 的博士班學生)得到轉殖水稻時終於來臨,時間已經過了 5 年。Peter Burkhardt 把這生合成過程中的第一個酵素送入水稻,並且使胚乳中的受質(geranlygeranyl-pyrophosphate)轉化成八氫番茄紅素(phytoene),證實了這樣的方法是可行的。

受到這項結果的鼓舞,Potrykus 繼續投入後續的工作。他們的構想是,分別把不同的酵素送入水稻後,再以雜交的方式挑選出在胚乳中累積 β-胡蘿蔔素(beta-carotene)的品系,但是結果並不如預期。於是他們把策略調整成一次送入 3 個酵素的基因,原先的 4 個酵素中有兩個酵素(phytoene desaturase 及 zeta-carotene desaturase)由一個酵素(the Erwinia double desaturase)取代,而且改用農桿菌為媒介進行轉殖。

這時的轉殖工作是由受過嚴格訓練的葉旭東(音譯,Xudong Ye)進行,他總共培養出 500 棵轉殖株,而由於空間的限制,最後從中挑出了 50 棵,把培育出的種子送到 Beyer 的實驗室進行胚乳成分的分析。在 1999 年 3 月,在 Potrykus 主辦的研討會中發表了這項結果,他們成功地在水稻胚乳中累積 β-胡蘿蔔素,由於種子的胚乳呈現金黃色,他們就把這水稻稱為黃金米。這時候,Potrykus 已經到了不得不退休的年紀了。

在科學的發展上,黃金米的問世是一項非常重要的突破,在這之前,沒有人能成功改變一整個生合成的過程。除此之外,黃金米也是第一個為拯救生命而研發成功的基因改造作物。基於上述兩項理由,再加上 Potrykus 希望透過黃金米的問世,讓更多的人知道科學和技術是真正可以對世界有貢獻的,使當時一面倒向反對基改的大眾輿論轉向一個比較平衡的狀態。

因此他們把研究成果投稿到 Nature 期刊,並附加了一份說明。很可惜的是,Nature 的編輯甚至沒有找人審查,就立刻退回了他們的投稿,當時的 Nature 似乎對反對基改的文章比較有興趣。在美國密蘇里植物園的 Peter Raven 聽聞了這項成果,立刻邀請 Potrykus 參加 1999 年 8 月在聖路易斯舉辦的第十六屆國際植物學大會,並且把這成果推薦給 Science 的編輯委員。最後,世人終於在 2000 年 1 月的 Science 上看到這篇僅 3 頁篇幅的文章。

黃金米問世後的困難

故事還沒結束,Potrykus 的目標並不只是發展科學技術,他希望能解決維生素A缺乏的問題,協助拯救在貧窮中失去的寶貴生命。Potrykus 和 Beyer 希望把他們的研究成果,無條件地送給需要的地區使用。由於他們的研究經費是來自公眾的基金會而非私人公司,因此他們一開始還天真地認為,申請專利、智慧財產權及技術轉移可以很快地進行,結果卻完全不是這麼一回事。

在 1996 年到 1999 年之間,Beyer 實驗室接受了一家生技公司 AstraZeneca 農業部門的經費(該部門在 2000 年與 Norvatis 合併成 Syngenta),使得事情變得非常複雜。正當這兩位把全副心思花在研究工作上的科學家,對於智慧財產權、技術轉移等問題感到徬徨無助之際,認識了來自 Syngenta,任職於產品研發部門,對於申請專利、處理智慧財產權等相關問題很有經驗的 Adrian Dubock。Dubock 十分認同這兩位科學家的理念,立刻加入了他們的行列,協助處理技術轉移相關的問題。

在 Dubock 的協助下,Potrykus 很驚訝地發現,整個黃金米的研發過程,包含了總共 70 個專利,分別屬於 32 個不同公司或大學。經過多次的協商,最後終於和 Syngenta 達成協議,同意無條件地供應黃金米的種子,讓在發展中國家年收入少於 1 萬美金的農民免費種植。

在此同時,Potrykus 選擇進行轉殖的水稻品種是「臺北 309」,選用這個品種的唯一原因是這個品種很容易再生。這個品種是屬於稉稻(japonica),是由臺灣的農試所培育出來的品種,當時農試所還在臺北,因此命名為「臺北 309」。根據臺灣育種家的觀察紀錄,這個品種的農藝性狀表現並不好,因此並未大量種植食用。此外,多數以米食為主的發展中國家,所食用的水稻品種是秈稻(indica),他們還需要把挑選出來的轉殖株和這些地區栽種的品種雜交,把胚乳累積 β-胡蘿蔔素的性狀導入當地品種。

除了智慧財產權之外,還有其他令人頭痛的問題—反對基因改造作物的聲浪。歐洲許多國家一直對基因改造作物都是抱持懷疑和反對的態度,其中 Potrykus 所在的瑞士,是極端反對的國家之一。因此他工作的聯邦理工學院,花費了數百萬美金,用防彈玻璃蓋了一間轉殖植物溫室,防止反對者的攻擊。當然,他的課堂上也少不了反對的學生,當庭與之辯論或對他有言語上的攻擊。

黃金米發表之後不久,綠色和平組織便舉行了抗議活動。綠色和平組織在抗議活動中發表的反對理由是—黃金米是種子公司的特洛伊木馬,用意在讓大家接受黃金米的同時也接受其他基改作物。還有另外一個理由,他們認為如此微量的 β-胡蘿蔔素(每公克的黃金米只有 1.6 微克的 β-胡蘿蔔素),如果要提供足夠的維生素A,每天得吃下好幾公斤的米,因此譏笑說這是傻瓜的黃金。

反對黃金米的另一個主要論點是:「β-胡蘿蔔素是油溶性的,需要油脂才能被吸收。」但第三世界的貧窮國家食物中少有油脂,光吃黃金米,無法吸收。

Potrykus 已屆退休年齡,無力應付繁複的行政程序,加上 Beyer 也沒辦法兼顧教職和推廣黃金米的工作,於是他們設立了一個黃金米人道委員會(Golden Rice Humanitarian Board),統籌管理相關的工作。

同一時間,Syngenta 的研究團隊針對提高 β-胡蘿蔔素的含量而努力。2005 年的時候,Syngenta 的研究團隊把來自黃水仙的八氫茄紅素合成酶基因換成玉米的基因,成功地讓第二代的黃金米,每公克米中的 β-胡蘿蔔素可以累積到 37 微克,是第一代黃金米的 23 倍。也就是說,每人每天只需大約一碗飯左右的量,就能攝取到足夠的維生素A,但這些突破並沒有使反對的行動稍有遲疑。

科學精神的極致表現

經過多年的努力之後,在 2008 年接受記者訪問時,Potrykus 十分氣餒地表示,他不知道能不能活著看到他的心願真的實現。因為,直到 2008 年 4 月,才終於開始在發展中國家(菲律賓)進行黃金米的田間試驗,而這時 Potrykus 已經 75 歲了。就是最樂觀的預測,在 2011 年之前,也不會有任何農民開始種植黃金米。

諷刺的是,儘管反對基因改造作物所針對的對象是種子公司,目前所有商品化的基改作物都是種子公司的產品。最主要的原因是,各國制定的安全評估標準很高,以至於只有大型的種子公司能夠負擔得起進行這些安全評估所需要花費的巨額資金。

距離黃金米的問世已經 10 年了,截至目前為止,仍無法明確知道多久之後,在什麼地方的貧窮孩童,能夠吃到黃金米,使他們可以順利長大。這樣的情形,使許多仁慈和感到憐憫的人們惋惜不已。儘管如此,這位植物遺傳學家的理念,在黃金米的故事中已經得到體現,也激勵了正在從事相關工作的科學家。期望在更多人的努力之下,把基礎科學的成果應用到農業和拯救生命等重要課題上,使資源分配不均而導致的貧窮飢荒從世界上消失。
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