打造超完美稻米,餵飽全世界!余淑美與國際 C4 水稻計畫

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 29 日 12:00 | 分類 農業科技 Telegram share ! follow us in feedly


中研院分子生物研究所余淑美院士,從小對農村和農作物就有濃厚的感情。踏上研究之路後,她以水稻為一生懸命的研究主題。處處用心、事事認真的余淑美在水稻的基因研究成就斐然,獲邀參與蓋茲基金會資助的「國際 C4 水稻計畫」長達十年之久,致力於打造抗逆境、高產量的超完美水稻品種,解決越來越急迫的全球糧荒,也讓台灣的水稻基因研究在國際占有一席之地。

「這是非常困難的挑戰,大多數植物學家都覺得做不到,壓力很大」,余淑美院士說:「可是如果現在不做,就永遠沒有機會。」這位中研院院士口中的不可能任務,就是「國際 C4 水稻計畫」。

這個龐大的計畫,終極目標是打造出高產量的「超完美稻米」,以餵飽全世界不斷增加的人口──目前世界人口已經超過 77 億,預估 2050 年會超過 95 億。想要餵飽這麼多人,糧食需要再增加 60%!然而,土地大量開發、水資源不足,全球氣候環境惡劣,現有糧食增加速度已追不上人口增加速度。

在科學家擘劃的藍圖中,這種超完美稻米與我們現在栽種、食用的稻米截然不同,將會是「C4 型」的植物,能夠高效率利用太陽能,使用較少的水和肥料,卻能有很高的產量。

等等,什麼是 C3、C4 型植物?

大家都知道植物會行光合作用:利用陽光把空氣中的二氧化碳和土壤中的水轉成醣類。C3 型植物,意即光合作用轉化二氧化碳時,最先產物為三碳化合物,如水稻、小麥、大豆、馬鈴薯等等;C4 植物的最先產物則是四碳化合物,如:玉米、甘蔗、高粱、芒草等。重點來了!C3 型植物行光合作用的效率沒有 C4 型那麼好,也比較耗水。國際 C4 水稻計畫,簡言之,即是把屬於 C3 型植物的水稻改造成 C4 型植物。

▲ C3 植物,意即光合作用轉化二氧化碳最先產物為三碳化合物, C4 植物最先產物則是四碳化合物。C4 型植物的葉片中具有特殊的組織結構,以及複雜的酵素生化反應,可以讓二氧化碳更有效率地轉換成糖類,並且減少在蒸發作用流失水分。換句話說,以同樣的水量灌溉,C4 植物可產生的糖比較多。國際 C4 水稻計畫,簡言之,即把屬於 C3 型植物的水稻改造成 C4 型植物。

「這個任務必須改變水稻的組織構造,以及它所進行的生化反應」,研究水稻基因超過 30 年的余淑美解釋:「其中牽涉太多基因,要把水稻完全改造成 C4 型,真的難如登天!」不過余淑美始終堅信,有做就有希望。

因為在漫長的演化長河中, C4 型植物就是從 C3 型演化過來的,換句話說,C3 型是 C4 型的祖先。如果以人為的方式加速水稻往 C4 型植物演化的路徑,或許可以把水稻的光合作用模式調整成人類需要的樣子,解決未來糧食不足的困境。

以田間試驗評估轉殖成效

國際 C4 水稻計畫,一開始全世界共有二十多個實驗室參與,隨著計畫一期一期推動,愈來愈聚焦,到了第三期時(2015~2019 年)剩下 12 個實驗室。2019 年 12 月 1 日進入第四期(2019~2024 年),只剩 7 個實驗室參與。余淑美率領的研究團隊於 2009 年獲邀加入,至今已經堅持參與超過十年,義無反顧繼續前行。

(Source:余淑美)

最近的第四期計畫,余淑美的團隊負責兩個專案:一個是從「台灣水稻突變種原庫」篩選出與 C4 型光合作用相關的重要基因,另一項工作則是把 C4 型的光合作用基因轉殖到水稻,種植在田裡,然後評估這個基因在水稻上是否有類似在 C4 植物時的功能、可否提高光合作用的效率。

「水稻轉殖之後,一定要到田裡去種」,余淑美表示,因為要試驗的水稻數量很多,光靠生長箱或溫室培養是不夠的,而且生長箱或溫室的環境非常穩定,沒辦法看出真正的農藝性狀,必須回到田裡,經過自然環境日曬風吹雨打的洗禮,才能顯現真正的性狀。

▲ 余淑美(右二)以及來自國際稻米研究中心的 C4 計畫第一到第三期的總主持人(右一)、國際稻米研究中心訪問學者(左二)、學生羅舜芳博士(左一),於水稻實驗水田旁合影。

借重「水稻突變種原庫」的經驗

余淑美之所以能被國際 C4 水稻計畫委以重任,主因為團隊水稻基因轉殖的技術非常純熟,執行田間農藝性狀的評估已有十多年的經驗,這都要歸功於余淑美於 2002 年開始領導整合國內各個單位建立的「台灣水稻突變種原庫」!

時間回到 1993 年,余淑美與博士班學生詹明才(現為中研院農業生物科技研究中心研究員)成功完成全世界第一個利用農桿菌轉殖水稻基因!此法便宜又快速,突破了水稻基因轉殖的瓶頸,目前已被廣為使用。

台灣水稻突變種原庫,即利用農桿菌製造基因突變的水稻,作為研究水稻基因功能的材料。余淑美解釋,水稻大約有四萬個基因,想知道每個基因有什麼功能,最簡單、快速的方法就是製造突變:破壞基因或是促進基因表現,讓水稻出現不一樣的性狀,藉由性狀的改變來探討基因的功能。

舉例來說,如果利用農桿菌在水稻的基因體插入一個基因,製造突變,結果水稻長得很高,我們就知道這個基因與水稻生長的高度有關,由此著手研究,很快就能找到調控水稻高度的基因。

成立至今,台灣水稻突變種原庫已製造、累積十萬多突變株,建立 6 萬筆突變基因資料,成為全世界科學家研究水稻基因功能的寶庫。

「建立水稻突變種原庫是一項非常艱鉅的任務」,余淑美回憶:「需要很多經費、很多人,和長時間的投入。」因此她遲疑了兩年,眼看基因功能研究已是全球擋不住的趨勢了,台灣如果再不跟上潮流,水稻基因研究就會一蹶不振,失去競爭力。她決心放手一搏!

余淑美四處爭取經費,費盡心力整合中研院、國科會、農委會、中興大學等單位的資源,終於完成這項不可能的任務。目前,全世界只有南韓、法國、中國和台灣有類似的水稻突變種原庫,台灣雖然起步晚,花費的經費也比別人少,卻是目前品質最好的。

台灣水稻突變種原庫利用農桿菌轉殖技術,製造出基因缺失或活化的水稻突變株,並保存突變水稻的種子,開放全世界申請,做為研究之用。

水稻長得好的祕密基因

除了優異的轉殖技術與豐富的田間試驗經驗之外,余淑美長年專注在水稻抗逆境生長的基因研究,也是受到國際 C4 水稻計畫肯定的原因之一。像 2019 年,余淑美的團隊就破解了水稻糖濃度的調控機制。

「人體內的血糖要維持一定的濃度」,余淑美說:「植物也一樣,糖的濃度維持一定範圍,才能長得好。」

水稻主要是利用 α-澱粉水解酵素(α-amylase)將澱粉分解成糖。余淑美團隊的研究發現:缺糖時,水稻利用調控因子 MYBS1 促進 α- 澱粉水解酵素產生,把儲存的澱粉分解成糖;糖濃度過高時,則利用 MYBS2 來抑制 α- 澱粉水解酵素的產生。兩種機制互相協調,讓水稻的糖濃度維持正常範圍。

▲ 余淑美團隊的研究發現:缺糖時,水稻利用調控因子 MYBS1 促進 α- 澱粉水解酵素產生,把儲存的澱粉分解成糖,讓水稻的糖濃度恢復正常;糖濃度過高時,則利用 MYBS2 來抑制 α- 澱粉水解酵素的產生。(Source:余淑美)

當植物遭遇乾旱、高溫、病菌感染等逆境時,往往呈現糖濃度太低的狀態,就是抑制 MYBS2 ,讓 α- 澱粉水解酵素大量表現,維持體內糖濃度的平衡來抵抗逆境。

了解這個機制後,她利用基因編輯技術控制 MYBS2 及 α- 澱粉水解酵素的表現,果真增加水稻的生長效率、耐逆境,而且維持高產量。

從世界看台灣

「加入國際 C4 水稻計畫這樣的團隊,學到非常多!」余淑美說:「而且經費比較充裕,國外的博士生、博士後研究員等素質又好。」相較之下,台灣研究人才的量和質一直在下降,「缺乏人才」已成為參與國際計畫最大的困難和挑戰。

余淑美認為政府在這當中扮演非常關鍵的角色,「很多部分靠我們自己努力,還可以克服,一旦牽涉到政策,真的無能為力。」政府不鼓勵基因轉殖作物、不重視農業生技,相關科系畢業之後找不到工作,自然沒有學生想唸──沒有出路、沒有新血,台灣的研發能力怎麼深耕?

為了讓世界免於飢餓,國際 C4 水稻計畫要逆天打造全新型態的水稻;以米為主食的台灣,農業研究是不是也該行所當行,開創新生機?!

(作者:張容瑱;本文由 研之有物 授權轉載;首圖來源:pixabay