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國際新知

【 讓農作物脫胎換骨的新科技-基因編輯技術】

農業科專服務小組/王菱妮專案經理

 

根據聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)表示,天然災害與溫室效應為影響農作物產量重要因素之一,為因應2050年全球人口將達到96億人,同時農業與糧食系統需具備更完善的抗災力與生產力,以面對氣候環境的變遷,乃藉由農作物育種改良來解決全球食糧不足之危機。

 

農作物育種常見改良方式如傳統育種與基因改造等,後者係將作物之基因組裡導入額外的遺傳物質與外在基因,進行基因改造,但此方法不僅耗時且成本也高。然而現今農業科技已發現可利用「基因編輯技術」來提升重要作物之生產力,其學名為常間回文重複序列叢集(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)技術,簡稱「CRISPR」,此乃根據細菌免疫防衛機制所發展出來新的基因編輯技術。我們可將基因編輯技術想像成ㄧ把分子剪刀,這把剪刀可以辨識不同位點,精準的剪斷目標DNA序列,斷裂的DNA分子便會啟動修護功能,修改基因組上的序列,不需要導入額外的遺傳物質與外在基因,而能得到期望的修復樣式,不但突破基因改造的困境,並為解決糧食問題帶來一線曙光。

 

基因編輯技術運用於玉米與水稻育種改良

 

近年來,維持糧食自給率是各國農業政策之重要指標,玉米與稻米等大宗作物亦是基因編輯技術之研究標的。目前基因編輯技術已應用在玉米育種上,選育出具有抗病、抗旱及改變澱粉成分的玉米品種。其中,玉米黑穗病是玉米栽培過程中常發生的病害,德國科學家利用基因編輯技術來干擾玉米病原體(Ustilagomaydis),研究其病原體的感染能力與機制,可育種出抗玉米黑穗病的新品種。

 

為選育出抗乾旱逆境的玉米優良新品種,美國科學家利用基因編輯技術突變玉米葉片基因,增加葉片的光澤度與表皮蠟質構造,防止水分散失。同樣地,過量表現玉米中與乙烯反應相關的基因,以降低玉米在乾旱逆境下對乙烯反應的敏感性又能增加產量,每公頃產量平均可增加約336公斤。除此之外,美國杜邦先鋒種子公司於日前宣布,利用基因編輯技術改良糯玉米基因,增加糯玉米中易於消化與吸收的支鏈澱粉含量,不僅提高糯玉米用於加工食品、飼料及作為粘合劑用的品質,也降低玉米澱粉業者在精煉過程中的成本,其成果也即將於美國上市。

 

水稻為臺灣重要糧食作物之一,已知中國利用新一代基因編輯技術,並與對照組野生型水稻相比,育種出在株高、葉長及穀粒重等農藝性狀方面並無差異,但具有專一抗稻熱病特性之水稻品種。

 

同樣地,另有中國科學家利用基因編輯技術獲得多個在水稻穂部與莖基部過量表現的水稻基因突變體,並進行了表型性狀與基因型分析鑑定,鑑定結果於株高、穂型、粒型、分蘗數、葉色、生長勢及開花期等皆與野生型水稻有明顯差異,並可同時增加水稻榖粒數量與大小。

 

由以上研究結果表示,目前基因編輯技術具有專一性,亦可於單一品種修改多種性狀,取代過去只能改變「一個基因」的編輯方法,提升育種效率。2017年5月,日本國立研究開發法人農業與食品產業技術綜合研究機構(National Agriculture and Food Research Organization)利用基因編輯技術育種出具植物賀爾蒙基因缺失的水稻,更將進行日本首次基因編輯水稻的戶外田間試驗,未來有望大幅度提高五成的水稻產量。

 

農業生物科技改善糧食危機

 

近年來,臺灣各地農作物飽受氣候衝擊,過去百年平均溫度增加1.4度,是全球平均年增溫0.65度的兩倍多。未來國內農作物將面臨氣候變遷、病蟲害增加而導致產量下降的窘境。根據前述玉米與水稻基因編輯技術之案例,此技術是目前相當受矚目之農業生物科技,可達到改良農作物之農藝性狀,增加作物產量、抗病蟲害、抗旱、降低化學農藥的使用及提高生長速度等優勢,並因其特性增加作物產量、提高作物營養成分及節省育種時間與人力投入。近期歐盟國中的瑞典將核准第一個以基因編輯技術培育出的包心菜新品種上市,而過去臺灣累積相當多農業技術能量,可以在原有的基礎上找出競爭優勢,如能善加運用基因編輯技術,精進農作物育種效率,將能發揮科技創新、改善糧食生產技術及增進國家民生福祉。

 

參考文獻
  1. “The end of the GMO? Genome edition, gene drives and new frontiers of plant technology”, Review of agrarian studies, vol. 7, no1, 2017.
  2. “Construction of a Genome-Wide Mutant Library in Rice Using CRISPR/Cas9”, 2017.
  3. “CRISPR:A new toolbox for better crops”, 2017.
  4. “Scientists have eliminated HIV in mice using CRISPR”, 2017.
  5. “Genome-wide targeted mutagenesis in rice using CRISPR/Cas9 system”, Molecula plant, 2017.
  6. Food and Agriculture Organization of the United Nations.
  7. “ARGOS8 variants generated by CRISPR-Cas9 improve maize grain yield under field drought-stress conditions”, Plant Biotechnology Journal., 2016.

 

最後更新日期:2017-09-05
 
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