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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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我們為何需要基改糧食?

撰文/大衛.若特曼(David Rotman) 翻譯/施祖琪

氣候變遷下, 餵飽全球人口將是艱鉅難題, 基因改造食物,將是必要之惡。

遲來的植物病害跡象突然出現在愛爾蘭田間,這情況並未完全出乎意料,每年夏季只要氣候潮濕,原生菌類孢子在一片綠意盎然的田野飄散,吹落到這些馬鈴薯植物的潮溼葉片上。2013年8月初便開始降雨,幾週內,遲來的植物病害已侵襲愛爾蘭農業署總部內一格格試種區一角的一小塊馬鈴薯田。愛爾蘭農業署名為Teagasc,位於卡洛(Carlow)城。

今年,馬鈴薯從最初得病至今,已經超過1個月,但幾週後才能收成。愛爾蘭農業署業務所在地的一間大鄉間房舍可眺望一塊塊試種的田地,衣冠楚楚的愛爾蘭和歐盟官僚人士在那裡忙進忙出。

這個占地遼闊的建築大多建於19世紀期間,那時,植物病害重創愛爾蘭的馬鈴薯收成,引發史上最嚴重的饑荒。那樣嚴重的饑荒早已是歷史事件,但對該國農民而言,植物病害仍是令他們虧本的頭痛問題,以致他們必須經常拿殺菌劑浸泡所種的農作物。愛爾蘭農業署研究員伊文.慕霖斯(Ewen Mullins)參與該單位一個範圍遍及全歐盟、名為「亞米嘉」(Amiga)的研究專案,專案目的是研究基因改造植物造成的影響。慕霖斯正在試驗那些基因已被改造以對抗植物病害的馬鈴薯。

這時微風徐徐吹來,雖然夏季已過,氣候仍溫暖又潮濕,慕霖斯說:「這真是誘發植物病害的絕佳條件。」他彎腰細看循一般農法種植的植物,用力摘掉已經枯萎的莖葉,檢視一半露出地表的塊莖,外表已經東一塊黑斑、西一塊黑斑了。他又摘取一株基因改造馬鈴薯的葉片,這株馬鈴薯的基因被南美的一種野生馬鈴薯改造過,因此可對抗植物病害,這株植物的免疫系統已經成功抵擋所有的孢子,孢子無法傷害它,對於這株植物,慕霖斯下了簡單的注解:「表現得很好」。

這項田野實驗專案為期3年,今年已邁入第2年,但即使明年的實驗結果同樣令人振奮,愛爾蘭農業署仍無意向農友分發這株植物。這株植物由荷蘭瓦罕寧恩大學(Wageningen University)的研究人員所培植。在歐洲,這類基因改造作物仍引發諸多爭議,只有2種獲准在歐盟種植。儘管慕霖斯和同僚非常希望了解植物病害對基因改造馬鈴薯的影響,以及這類植物是否會影響土壤的微生物,在愛爾蘭分發這種植物給農友是不可能的,起碼目前如此。

儘管如此,卡洛的田間仍讓人一睹一個令人期待的情景,讓人一窺基改作物可以如何鞏固全球的糧食供應情形。得以抵抗植物病害的馬鈴薯是第1批受到基因改造、接收了對抗植物病害的防禦力的主要糧食,每年在全球各地,植物病害可摧毀約15%的農作物,雖然農友大量使用殺菌劑,估計晚疫病和其他病害仍令全球五分之一的馬鈴薯枯萎。近年來,中國和印度已愈發喜愛種植馬鈴薯。稈銹病是一種影響麥子健康的真菌病,已侵襲非洲和阿拉伯半島的許多地方,而且正席捲南亞和中亞,這兩處是全球2成麥子的生產地。香蕉是烏干達等國的主食,也常遭受萎蔫病所苦。針對這些慘況,基因改造工程都可能創造新的品種,使它們抵禦植物病害的能力更強。

但由於針對基改食物的反對聲浪太大,有意研發的投資者裹足不前,以及種子公司尚未能從基改稻米、小麥和馬鈴薯賺到從基改玉米和黃豆一樣的利潤,基改稻米、小麥和馬鈴薯仍未能大量種植。

然而,在2050年,全球人口預料將衝破90億大關,大概不久後,人類就會需要這樣的基改品種了。雖然過去50年來,農產品產量已大幅上升,經濟學家仍擔心,這樣的成長已開始趨於疲弱,因為受到人口增加和富裕國家胃口大開影響,人類對糧食的需求可能在21世紀中期以70%到100%的比例躍升。尤其是稻米和麥子,儘管過去數十年來,這2種作物的產量劇幅揚升,餵飽了全球人口,最近卻出現產量下滑跡象。2050年前,產量必須增加超過1倍,才可能滿足人類需求,倘若這個趨勢持續不變,除非人類大量使用更多耕地、肥料和水,糧食產量可能追不上人類的需求。

變遷可能使問題雪上加霜。氣候變遷除了讓氣溫升高,在許多地方,也會令作物生長環境更潮濕、衍生疾病和昆蟲,也讓疾病和昆蟲散播到更多地方。乾旱、強大的暴風雨以及極高溫的天候已打擊農作物產量,一旦氣候變得更溫暖,前述情況的發生頻率會急遽升高。

舉例而言,墨西哥El Batan市「國際玉米和麥子改良中心」(International Maize and Wheat Improvement Center)的小麥生理學家馬修 '雷諾斯(Matthew Reynolds)指出,2011和2012年是墨西哥中部高地連續遭逢史上最乾燥和最潮濕氣候的2年,這樣的變化「令人擔憂,對農業非常不利。」他說:「我們很難根據這種氣候模式培育麥種,如果氣候穩定,我們可以培養基因能適應某種溫度和降雨型態的作物,但一旦氣候變來變去,就很難掌握要培育什麼樣的作物特徵」。

採用基因改造方法來幫助作物適應這些突如其來的變化有一個好處,那就是可以迅速培養新品種。舉例而言,經由傳統培植法,培植一種馬鈴薯費時最少15年,但基因改造一個品種卻只需要不到6個月。基因改造也讓育種人士更精確地修改品種,並從更多樣的基因中做出選擇,可從作物的遠親或各種不同類型的有機體挑選。但植物科學家仍語帶保留地指出,世上沒有一種神奇基因可在植入作物後,讓作物忍受乾旱或產量增加,因為即使為了抵擋疾病,通常也要做許多基因的改變,但很多植物科學家仍認為基因改造是一種可達到多種目的的必要技術。

科學家強納生.瓊斯(Jonathan Jones)指出:「這樣做很合理啊。未來農作物面臨迫在眉睫的壓力,窮國數百萬人的生存會受威脅,捨棄不用基因改造工具太荒謬了。」瓊斯在英國「賽恩斯伯裏實驗室(Sainsbury Laboratory)服務,是全球數一數二的植物疾病專家。

負責培育未來作物物種的研究員大多持這種看法。美國加州大學戴維斯分校(University of California, Davis)的植物科學家愛德華多.布魯沃德(Eduardo Blumwald)就說,從目前的農產品產量來看,餵飽全球人口沒有問題,但「一旦人口爆增到90億?絕不可能餵飽」。

支票跳票

主張基因改造作物可餵飽全球人口的見解始於1990年代中期,與第一代基因轉殖植物的種子被商業販售的時期相當。當年有些企業從基改作物中大賺其財,宣稱這種科技是生命科學革命的一環,這種革命將使糧食產量大增。那些企業中不乏孟山都(Monsanto)、拜耳(Bayer)和杜邦(DuPont)等大型化學廠,但從目前的情況看來,這樣的支票跳票了。

的確,生物改造(bioengineered)作物在一些國家很賺錢,它們的訴求很簡單,卻很誘人:將一個外來基因注入作物中,假設這個基因從侵襲玉米的病菌而來,你可以給這個作物一種它原本沒有的特徵。研究調查顯示,全球各地種了超過1.7億公頃基因轉殖作物,美國耕種的玉米、黃豆和棉花中,絕大部份已被一種來自土壤細菌Bacillus thuringensis的基因改造,以便抵擋害蟲,或被注入另一種細菌基因以抵抗除草劑,而放眼全球,81%的耕種黃豆和35%的耕種玉米都是受生物科技改造的品種。

但究竟基因轉殖作物是否已拉高糧食產量或產出較廉價的糧食,仍是未知數。舉玉米為例,在美國,76%的玉米已被基因改造以便抵抗害蟲,85%的玉米可以忍受除草劑。照理來說,對農友而言,這樣的玉米真像一大福音,不但少用農藥,產量還會提升,然而,美國生產的玉米中,極少數直接供應人類食用,大約4%用於高果糖漿,1.8%用於早餐穀片和其他食品。基改玉米和黃豆的利潤驚人,美國農民開始拿它們取代小麥:2012年,全美小麥耕地面積約5,600萬英畝,較2000年的6,200萬畝下滑,隨著供應衰減,2012年,一蒲式耳的小麥價格漲到將近8美元,2000年的價格才2.50美元。

目前直接用作人類糧食的基因轉殖作物並不多,包括夏威夷的抗病毒木瓜、可抵擋Bacillus thuringensis細菌的甜玉米(孟山都公司不久前推出的產品)以及幾種可抵抗植物病毒的南瓜,但這類作物的數目可能快要變多了。印尼農業署有意在不久後核准一種可抵抗植物病害的馬鈴薯上市,美國愛達荷州玻伊斯(Boise)的辛普勞(J.R. Simplot)農產品公司也計畫在2017年將自行研發的抗病害馬鈴薯上市。孟山都公司雖在2004年放棄研發基改小麥,卻在2009年買下一家小麥種子公司,現已再度嘗試研發基改小麥。

這些重要糧食作物的生物基因版本(bioengineered version)可以滿足當年人們對於基改生物的夢想,但也幾乎勢必引爆各方對此科技的論戰。反對人士憂心將外來種基因注入本地作物中,可能令作物變得危險或易引發過敏,但基因轉殖作物的歷史超過15年之久,迄今並未出現有害健康的問題,而且反對人士的2個疑慮都缺乏一系列科學研究的佐證。有意誹謗的人士反倒提出比較可信的主張,表示基因改造技術是大企業(特別是孟山都)的詭計,目的是要兜售更多除草劑、稱霸農產品供應鏈和誘使農民依賴昂貴的基因轉殖種子,不過,最令人信服的批評則很單純,就是面對氣候變遷和人口爆增,現有的基因轉殖作物幾乎無法確保能供應未來全球人口所需的糧食。

康乃爾大學(Cornell University)植物育種與基因學教授馬格莉特.史密斯(Margaret Smith)坦言,第一代防蟲害和抗除草劑的作物幾乎沒有什麼嶄新特徵,特徵就是耐旱和抗病,讓作物可適應氣候和疾病的變化模式。不過,就算植物科學家念茲在茲想增加作物產量,若要摒棄基改技術,也缺乏有力理由,科學家「面臨一個非常艱鉅的植物育種任務,」史密斯直言:「我們需要第二代的基因轉殖作物,如果因為第一代作物沒有解決人類的問題,就放棄這個工具,是不對的」。

研發更能忍耐氣候變遷的作物絕非易事。植物科學家必須精巧地操控牽涉多種基因的複雜生物特徵,若要使作物持久抗病,原始作物要經歷一連串基因改變,科學家也要深入了解病原體如何攻擊作物。耐乾旱和耐高溫的特徵更難培養,因為要產生這樣的特徵,勢必得從改變植物的基本生理機能下手。

基因改造能肩負這個重任嗎?沒人知道,但近年來基因體(genomic)相關突破令人振奮不已。科學家排出了稻米、馬鈴薯、香蕉、小麥等作物的基因序列,在此同時,分子生物學也有了進展,基因剔除、修正和嵌入的作業會更精準,尤其在有了新穎的基因改造工具如 Talens和Crispr後,基因科學家得以精確無誤地「編輯」植物的DNA,並更改其染色體。

精確無誤的「編輯」

緊鄰美國紐約州伊薩卡(Ithaca)的康乃爾大學校園邊緣,有幾排溫室,溫室隔壁有個工作室,工作室內有幾箱馬鈴薯,難怪工作室散發著潮溼的霉味。華特.德鐘(Walter De Jong)正在整理剛收成的馬鈴薯,並測量它們的大小,他的工作屬於一個多層次專案的一環,目的是為當地農民研發出更好的馬鈴薯品種。工作室內的箱子裝滿了馬鈴薯,有些小而圓,有些大卻醜,當被記者問到消費者最看重馬鈴薯什麼特徵,他露出一抹淘氣的笑容,回答:「賣相、賣相、賣相」。

若要問德鐘對培育基因轉殖馬鈴薯的看法,這個問題可不好答。他倒不是反對基因改造,他是馬鈴薯育種人員,非常熟悉引進新品種特徵的傳統做法,也是植物病理學博士,針對分子生物學做過相當多的研究,他了解先進的基因學潛力無窮。在美國東北部,某種馬鈴薯被優化(optimize)種植,種植面積半徑達500英里,種植時還會考量生長季節長短,以及當地的氣候,由於氣候變遷,這些種植區域會改變,讓育種像是拼拼圖,可是一片片圖片卻動來動去,基改技術改造作物的速度或許可以解決這個問題,但德鐘嘲弄地說:「我可不敢巴望採用基因轉殖技術,我沒那個錢呀。」

「現在的情況很耐人尋味,」他說。政府和學界研究機構的科學家費盡心思了解植物基因,以及它們如何決定植物的特徵,但培育基改作物要經歷冗長的實驗和為期不短的法規程序,還可能不被消費者接受,因此只有「少數幾家大公司」可以承擔培育這類植物的經費和風險。

在康乃爾大學另一端,德鐘也主持一個分子生物學實驗室,他的實驗室已找到致使馬鈴薯塊莖呈現紅色的DNA序列,過不了多久,人們就可以精確地更改馬鈴薯細胞內那個序列,眼見新的馬鈴薯細胞長大了。「假如我有一個白色馬鈴薯,我想把它變紅色,我只要更動一兩個核甘酸,就可以變出我要的顏色了。」德鐘解釋道:「植物育種不是把基因重組。基本上,所有馬鈴薯的基因是一樣的,可能它們基因的版本不同,就是對偶基因(allele),對偶基因之間的差別在於核甘酸,倘若我可以更動幾個核甘酸,何必要再培育物種特徵呢?這個結果是長久以來植物基因學尋尋覓覓的夢想啊。」

傳統基因工程技術有一個問題,就是添加基因的結果是難以預期的。科學家將想得到的植物基因嵌入培養皿的目標細胞中,媒介是植物細菌,或者能將布滿DNA的微小粒子射入細胞的「基因槍」(gene gun)。一旦分子進入細胞,新的基因就被嵌入染色體任一角落(全新的細胞會接受組織培養,進而長成小苗,最後長成一株植物),想控制嵌入基因的位置是不可能的任務,有時新的基因最後會落到一個可以充分發展的地方,有時並非如此。假如你可以瞄準植物染色體上的位置,在你選定的位置嵌入新的基因、「打跑」原有基因或變換幾個特定核甘酸的位置,該有多好?新的工具讓科學家可以一償宿願。

Talens是基因工程工具中的閃亮新星,發明構想來自一種會侵襲植物病菌的致病機轉。植物病理學家找到了讓病菌能鎖定植物中DNA的那些蛋白質,並找到方法操控蛋白質,讓它們也能辨識任何目標序列;然後科學家在這些蛋白質注入可剔除DNA的核酸酵素(nuclease),便製作出一種精確「編修」的工具。科學家使用植物病菌或基因槍,將這套工具打入植物細胞中:一旦進入細胞,那些蛋白質就會鎖定一個特定的DNA序列,蛋白質會將核酸酵素送到染色體的某個特定位置,藉此切割植物的DNA,進而可修復破損的染色體,讓新的基因被嵌入,或進行其他改動。Crispr是更先進的基因工程工具,採用核糖核酸(RNA)對準想鎖定的基因。有了Talens和Crispr,即使只是幾個核甘酸,分子生物學家也可以改動、在染色體任一位置嵌入或「剔除」基因,讓基因改造的結果更符合預期,也更有效。

這些新工具還有一個用途,那就是不需嵌入外來基因,就可以基因改造植物。儘管現在依據此用途來預測能否因此扭轉大眾對基改生物的論戰,仍言之過早,但監管單位(最少美國的監管單位是如此)表示,未受到外來基因影響的基改作物不必像基因轉殖作物一樣受到嚴格審查,如此一來,就可能大大減少新品種基改食物上市的時間和花費,生物科技的批評人士也可能畫出一條清楚的界限,決定忍受基改作物,只要它們不屬於基因轉殖。

丹恩.佛特斯(Dan Voytas)是美國明尼蘇達大學(University of Minnesota)的基因體工程中心主任,也是發明Talens的功臣之一,他表示他發明的主要動機是人類需要在本世紀中找到餵飽多出的20億人口的辦法。他有一個企圖心十足的專案,專案所在地是菲律賓洛斯巴諾斯(Los Banos)的「國際稻米研究院」(International Rice Research Institute)。他與世界各地的研究員攜手合作,重新編寫稻米的生理機能。稻米和小麥與其他穀物相同,都有植物學家所謂的C3光合作用,而非玉米和甘蔗擁有較複雜的C4光合作用。相較於C3光合作用,C4光合作用在使用水和二氧化碳方面的效率高多了。假如他的研究專案成功,在受到氣候變遷影響而變得更熱、更乾燥的地區,稻米和小麥的產量就可以增加。

佛特斯表示,在這個因為氣候變遷,可耕種農地變少的時代,致力餵飽愈來愈多的人,是「植物生物學家所應承擔的重任」。但他一點也不悲觀,他指出過去50年來,作物產量一再地增加,首要功臣是雜交種子(hybrid seed),第二功臣是所謂「綠色革命」期間引進的新穎植物物種,「甚至第一代基因改造植物」。他說「現在有了新的基因體工程工具,那又是另一個轉折點了」。 假如他說得沒錯,或許現在改變的時機也到了。

熱浪

對農學家、植物育種人士和農民來說,最重要的事就是產量,意即一公頃內一個作物的產量。自20世紀中期起,作物產量大增,這也是為什麼在1960年時,30億人口可以吃飽,2011年時,人口雖增至70億,糧食卻仍然夠用的原因。雖然耕地面積僅微幅增加,糧食卻並無短缺;或許更眾所週知的是「綠色革命」曾使世界各地的小麥、玉米和稻米產量大幅提升。這場革命由美國愛荷華州出生的植物病理學家和基因學家諾曼.伯駱(Norman Borlaug)發起,一部分做法是引進更多的高產量作物,先從墨西哥做起,再推廣到巴基斯坦、印度和其他國家,可是最起碼在過去10年,小麥和稻米的產量增加速度似乎減緩了,舉例來說,目前每年小麥產量增加速度是1%,但若要長久滿足全球人口的需求,小麥產量上升速度必須達到接近2%。農產專家更警告,若人類想要餵飽持續增加的全球人口,其他作物的產量也得增加,但由於氣溫上升以及其他全球氣候變遷的現象,這個目標將更難達成。

美國史丹佛大學(Stanford University)環境地球系統科學教授大衛.駱貝爾(David Lobell)和同事在梳理一些有關氣候和農產量的歷史紀錄後,釐清了原有的預測。他們發現從1980年到2008年間,氣候變遷導致小麥和玉米產量下滑。雖然在那段期間,產量仍然上升,但總產量仍比沒有發生全球暖化的情況減少203%,在玉米和小麥的大部分產地,情況皆是如此。

這項發現令人詫異,因為它代表全球暖化已經顯著影響糧食產量,當氣候變遷情況加劇,影響會更劇烈。

駱貝爾和研究計劃合夥人哥倫比亞大學(Columbia University)經濟學家沃夫范.史藍科(Wolfram Schlenker)找到證據,證明對於幾種重要作物來說,全球暖化的負面影響與一季內極高溫的天數有關,與平均氣溫比較無關。要是這個論據正確無誤,早期研究僅著重平均氣溫,可能已嚴重低估了氣候變遷衍生的衝擊。 史藍科計算出的數據顯示,隨著氣溫從攝氏10度升到20幾度,玉米和黃豆產量呈現平穩成長,但玉米遇到29度,黃豆遇到30度時,這些作物將「大受打擊」,產量便明顯下滑。

史藍科指出,這項研究有個令人意外的壞消息,那就是作物和農民似乎仍未適應炎熱天氣天數增加的這件事。「我最感到意外的一件事,同時也是警告我們未來要注意的,就是雖然農業育種的進展一日千里,自1950年代開始,平均農產量就上升超過3倍,但假如你著眼於作物對極端高溫的反應,就會發現似乎和1950年代沒有兩樣,我們必須讓作物更能應付炎熱氣候。」他說美國許多地方在2012年遭遇熱浪侵襲,在那段時間,玉米產量銳減2成,但是「和氣候模式預測很快即將發生的未來常態相比,2012年不算很異常的一年」。

粒粒盤中飧

都柏林大學(University College Dublin)的植物病理學家費歐娜.杜歐翰(Fiona Doohan)正在培育可以抵擋當地病害的小麥新品種,也想了解植物的病原體是否會隨著氣候變遷而變化。她在學校的農業實驗站找來一個個植物成長箱,箱內的二氧化碳調整到反映2050年可能出現的高濃度,她的實驗得到一個不太好的結果。當小麥和經常襲擊小麥的病原放在二氧化碳濃度較高的箱子,小麥對病菌仍有抵抗力,但杜歐翰指出,一旦兩者在2050年料將發生的條件下分開種植,種了好幾代,再放在一起,植物就「陣亡了」。從這個結果可見,植物的病原體可能比小麥更能夠、也更快速適應環境中升高的二氧化碳,這可不是好兆頭。

農業實驗站隔壁是一個蘋果園,有全愛爾蘭各種蘋果樹,包括歷世歷代的傳家品種,在果園盡頭,有一排溫室,在其中一個小溫室裡,研究員針對基改植物做實驗,有一種基因轉殖小麥經證實可以抵抗愛爾蘭常見的各種小麥銹病,前景可期。杜歐翰和同事合作培育了這個新品種,杜歐翰說,這種新種小麥的新基因也會增加小麥的產量。她顯然對育種的結果感到滿意,但她很快又補充道,在愛爾蘭或甚至歐洲各地,仍沒有針對這種基改小麥做田野實驗的計劃,起碼目前沒有,因此這種前途無量的新麥種只能待在溫室裡。

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