魚與熊掌可兼得,中研院團隊改良出既耐旱又提高產量的水稻

作者 | 發布日期 2019 年 11 月 15 日 12:34 | 分類 環境科學 , 生物科技 , 農業科技 follow us in feedly


人需要控制血糖維持身體健康,植物也需要控制糖濃度才能長得頭好壯壯。中研院分生所余淑美院士團隊發現水稻有一種平衡自身糖濃度的機制,並藉此機制培育出既耐旱、又能提高產量 1.5 倍的水稻品種,為往後全球將面臨的糧食危機貢獻一份心力。

全球四大主要糧食作物:玉米、水稻、小麥、黃豆,自 2010 年起生產速率已開始下降,趕不上人口增加的速度。國際稻米研究中心祭出方針,希望培育出能適應環境的新水稻品種,比如耐鹽水稻(Salt-tolrrant rice)、耐旱水稻(Drought-tolrrant rice),然而此法魚與熊掌無法兼得,要提高水稻對惡劣環境的耐受度,就無法提高產量。

但隨著環境氣候變遷、人口持續增加,糧食危機最快再 20 年就會席捲全球,中研院分子生物研究所院士余淑美指出,到 2050 年將要餵飽全球超過 90 億人口,農民必須在農地、水資源更少的前提下提高糧食產量 60%。

為解決糧食危機,余淑美團隊投入水稻改良 6 年,研究人員指出 α -澱粉水解酵素(α-Amylase,縮寫 αAmy)是分解植物澱粉最主要的酵素,可控制植物體內糖的產生與利用。而調控 αAmy 產生的兩個蛋白質因子為 MYBS1 和 MYBS2,當水稻缺糖時,MYBS1 就會進入細胞核促進 αAmy 的表現、將澱粉分解為糖;當水稻高糖時,就換 MYBS2 進入細胞核抑制 αAmy 的表現。

▲ MYBS1 與 MYBS2 控制水稻糖濃度的機制。(Source:中研院)

然而研究團隊進一步發現,當植物在面臨環境逆境(乾旱、高溫)及病菌感染時,也會產生大量 αAmy,目的是要讓植物更能抵抗逆境,這種聰明的自保機制能顯著提高水稻的生長速度、耐逆境能力及穀粒產量。

至於為何水稻面臨缺水又高溫的惡劣環境時,反而出現大量 αAmy 之謎?余淑美對此解釋,當植物缺糖時,MYBS2 蛋白質的第 53 個氨基酸會被磷酸化、進而被送出細胞核,而細胞核外頭有一種名為 GF14 的蛋白質虎視眈眈,一看到 MYBS2 就立刻抓住它留在細胞質,使其無法再進入細胞核內與 MYBS1 競爭,因此 MYBS1 能夠促進 αAmy 大量產生。

▲ 水稻面臨高溫、乾旱環境時,MYBS2 蛋白質的第 53 個氨基酸被磷酸化並離開細胞核,留在細胞核內的 MYBS1 蛋白質可沒有阻礙的促進 αAmy 表現。(Source:中研院提供)

研究人員於是嘗試以基因編輯技術來控制 MYBS2 及 αAmy 的表現,發現無論是在田裡或溫室裡、在哪個季節種植,降低 MYBS2 的表現都能提高水稻產量,以實驗室的台農 67 號水稻為例,在抑制 MYBS2 的表現後,水稻產量提高了 1.5 倍。

一般而言,水稻喜好的環境溫度介於 32~35℃,然而耐旱水稻可承受 42℃ 高溫,現在透過抑制 MYBS2 表現所改良的新品種水稻,既耐高溫又能提高產量,換句話說可節省灌溉用水(估計可節省 20% 用水)、較不怕乾旱又可增加生成,對農民益處多多。

雖然基因編輯作物可能會影響口感,但只要稍微犧牲一點,就能增加作物生長效率、忍耐各種逆境、維持糧食高產量,對未來的糧食危機確實有正面效益。新論文發表在《美國國家科學院期刊》加長版(PNAS,Plus)。

(首圖來源:科技新報)