文/圖 王仕賢
前言
十九世紀初期,孟德爾的遺傳定律成為雜交育種者的重要工具,如十字花科的自交不親和遺傳特性被日本育種家廣泛地應用於一代雜交品種生產。傳統的雜交育種多為欲結合雙親優點的品種間雜交,若所欲的性狀不容易自相同的種屬中獲得,往往必須利用遠緣雜交的方式才能將所需性狀導入栽培種。這些性狀多為一個或二個基因座所控制,育種家可根據孟德爾遺傳定律預測所需性狀出現的機率,進而決定分離族群的大小。種間或屬間雜交育種除雜交不親和的問題外,雜交成功之後,不良性狀的篩除,需要不斷的回交及選拔,需要花費許多人力及時間。因此,若能精準地只導入所需基因,便可節省許多人力物力。
近年來,由於分子生物學研究發展快速,許多基因己被選殖定序,如抗蟲基因Bt基因,抗殺草劑等等。利用基因轉殖技術,可以將這些基因轉殖至不同種屬的作物上。目前己上市的轉基因作物大都是抗蟲或抗殺草劑的作物,另外轉殖“反義RNA”達到抑制基因表現的轉基因植物也是研究的主流之一。
第一個被商業生產的轉基因作物是Calgene公司的“FLAVR
SAVR”番茄。利用反義RNA技術,將控制果實軟化的聚半糖醛酵素(polygalacturonase)活性降低99%。利用此技術可延遲果實的軟化,等果實的成熟度較高時才採收,此時果實的品質較佳。美國幅員廣大,鮮食番茄往往在綠熟期採收,此時果實硬度高較耐運輸,但相對而言,風味也略遜於蔓上成熟的番茄,而Flavr
Savr(tm)即針對此特點而育成。Flavr Savr(tm)在1995年上市之後其他種類的轉基因作物也紛紛上市。
轉基因作物的商機
Calgene公司是轉基因作物的先驅,經過5年多申請覆查的文書工作,才獲美國食品藥物局(FDA)核準上市,也建立了轉基因作物行銷作業,在1997年獲核準上市的作物,依其轉入的基因特性及作物種類表列如下:
表一、己核淮上市的生物技術作物
導入特性 |
作物名 |
生產公司 |
商品名 |
抗殺草劑 |
玉米 |
AgrEvo |
Liberty Link |
抗殺草劑 |
玉米 |
American Cyanomid |
IMI-CORN |
抗殺草劑 |
玉米 |
Dekalb Genetics |
Dekalb GR Hybrid Com |
抗殺草劑 |
玉米 |
Garst Seed co. |
G-Stac Corn Hybrids |
抗殺草劑 |
玉米 |
Monsanto |
Roundup Ready Corn |
抗殺草劑 |
油菜 |
AgrEvo |
Liberty Link |
抗殺草劑 |
油菜 |
American Cyanomid |
IMI Canola Seed |
抗殺草劑 |
油菜 |
Monsanto |
Roundup Ready Canola |
抗殺草劑 |
棉花 |
Calgcne |
BXNR Cotton |
抗殺草劑 |
棉花 |
Monsanto |
Roundup Ready Cotton |
抗殺草劑 |
大豆 |
Monsanto |
Roundup Ready Canola |
抗蟲 |
玉米 |
Novartis |
Novartis Maximizer Hybrid Corn |
抗蟲 |
玉米 |
Dekalb Geneticds |
Dekalb Insect-Protected Hybrid Corn |
抗蟲 |
玉米 |
Monsanto |
YieldGard Insect- Protected Corn |
抗蟲 |
玉米 |
Mycogen |
NatureGard Hybrid Seed Corn |
抗蟲 |
棉花 |
Monsanto |
Bollgard Insect-protected Cotton |
抗蟲 |
馬鈴薯 |
Monsanto |
Newleaf Insect-Protected Potato |
食用品質 |
番茄 |
Calgene |
FLAVR SAVR Tomato |
食用品質 |
番茄 |
DNAP Holding |
FreshWorld Farms Tomato |
食用品質 |
番茄 |
DNAP Holding |
FreshWorld Farms Endless Summer Tomato |
食用品質 |
小果番茄 |
DNAP Holding |
FreshWorld Farms Cherry Tomatoes |
食用品質 |
胡蘿蔔 |
DNAP Holding |
FreshWorld Farms Carrot Bites |
食用品質 |
甜椒 |
DNAP Holding |
FreshWorld Farms Sweet mini-Peppers |
加工品質 |
加工番茄 |
Zeneca Plant Sciences |
Increased Pectin Tomatoes |
抗病毒病 |
南瓜 |
Asgrow |
Freedom Ⅱ Squash |
抗病 |
玉米 |
Garst Seed |
Gray Leaf Spot Resistant Corn Hybrid |
耐逆境 |
玉米 |
Garst Seed |
High pH Tolerant Corn Hybrids |
特用油 |
油菜 |
Calgene |
Laurical |
特用油 |
大豆 |
DuPont |
High Oleic Acid Soybeans |
由表一,玉米、大豆、棉花及油菜(canola)是最主要的作物,而抗蟲及抗殺草劑的產品也佔了一半以上。其中改進食用品質的生技農產品如DNAP Holding公司的小果番茄,胡蘿蔔不是利用基因轉殖的方法培育新品種,而是利用細胞培養所誘導之遺傳變異加以固定篩選而出,該公司也以花葯培養的方法,進行單倍體育種生產具有高甜度及少子特性的迷你甜椒。以目前研究成果而言,DNAP Holding公司主要針對蔬果類進行研究,產品商標為Freshworld Farms 及Master touch,而孟山都(Monsanto)公司生產大宗雜糧的轉基因作物,導入抗殺草劑或抗蟲基因進入玉米、大豆、棉花及馬鈴薯。目前該公司也在進行研發高固形物含量的番茄及馬鈴薯。
特用油的市場也是生技公司的兵家必爭的市場。油菜(Canola)是由加拿大育種家所培育出的特殊油菜。早期的油菜油含有高量的eicosenoic及erucic兩種脂肪酸含量,在1974年由加拿大的育種家Baldur Stefansson博士在油菜屬中(Brassica napus)選育出低erucic脂肪酸的油菜品種“Tower”,這個品種也成為第一個適合食用的油菜品種,此類型的油菜也被稱為Canola。此型油菜油也是所有動植物油中,飽和脂酸含量最低的油品,符合現代人的食用油需求,目前佔據加拿大植物油市場的70%,佔美國植物油市場的10%,同時也名列世界農產貿易的第五位,僅次於稻米、小麥、玉米及棉花。目前Calgene和DuPont兩家公司均加強油菜特有成份的選育,期望生產專有用途的油菜,做為食用油或工業用油的原料。
自1995年第一個轉基因番茄成功上市之後,轉基因作物的生產便快速成長,以孟山都公司的抗殺草劑及抗蟲作物為例,每年均以3倍至10倍的速度成長,據該公司的估計1997年的抗蟲玉米(Yield Gard)種植為3百萬英畝,1998年種植面積1千萬英畝以上。而今年該公司所有的轉基因作物全球的種植面積將達到5千萬英畝以上。
生物技術對作物改良技術的影響
基因轉殖技術突破物種上的界限,使不同物種的基因可以互相轉移。如抗蟲基因(Bt)原本存在於土壤微生物(Bacillus thuringiensis),不同品系具有不同的殺蟲效果,對鱗翅目、雙翅目及鞘翅目昆蟲有毒害作用。目前己有許多公司生產具Bt基因的轉基因作物。
除了轉殖不同物種基因外,利用分子生物的技術,改變現有基因結構,再轉殖至原作物以使該基因失去功能。較著名的例子是Calgene公司利用“反義”RNA的技術降低番茄聚半乳糠醛酵素(PG)的活性,生產“FLAVR
SAVR”番茄。另外DNAP Holding公司的“Transwitch”技術則關閉作物的乙烯發生功能,使FreshWorld
Farms Endless Summer番茄的貯架壽命延長至30天以上,比傳統作物7-10天的貯架壽命多2倍以上。
轉殖病毒鞘蛋白(Coat protein, CP)基因以育成抗病毒病作物也是熱門的研究領域,如木瓜抗輪點病毒病。以上的轉殖基因技術均是轉移單一基因,未來的研究課題將是如何運用基因轉殖或分子標記進行數量基因的改良。
除了轉殖基因技術改變作物育種方法之外,分子標記也改變了作物育種的方法。分子標記一般指DNA層次的變異,如DNA限制切脢片段多形性(RFLPS)及逢機擴增DNA片段多形性(RAPD)等等,這些DNA片段的多形性多由電泳分離之條帶位置判定。分子標記的優點為標記的數量多,對作物的生育無顯著的致命性,所以每個標記都依循孟德爾遺傳定律分離,較少產生分佈偏離理想分離比的現象。
藉著分子標記與所欲選拔的基因性狀的連鎖關係,吾人可選拔分子標記的方式達到間接選拔的效果。因為分子標記較不受生育或生理時期及材料的限制,自然可提高育種效率。舉例而言,若己知番茄果色基因與某分子標記緊密連鎖,便可在幼苗期篩選果色。目前育種公司己大量利用分子標記選拔抗病植株,減少接種手續,並可擴大選種族群。
分子標記也改變數量遺傳育種方法,利用分子標記可把數量性狀有關的基因塊標記出來,便可追蹤這些數量基因塊的遺傳行為,並利用回交育種的方式將有利基因塊導入親本,達到快速導入的目的。根據模擬試驗,此種方法回交2∼3代的效果比傳統的回交5∼6代的效果相似,可以縮短育種年限。
生物技術在作物改良的未來展望
正如Zeneca Plant Science的總裁Simon G. Best所言,21世紀的農業挑戰在於以不危害生態環境的永續農業經營方式生產足夠全球人溫飽的糧食。目前生技公司的轉基因作物是否符合上述的目標則是眾說紛云。其中最受人詬病的抗殺草劑作物,種植抗殺草劑作物,將使農民大量使用殺草劑,進而污染環境,當然最大的受益者還是生產殺草劑的生技公司。除此之後,是否會產生抗殺草劑的超級雜草也是眾人關心的話題。
抗蟲轉基因作物雖可減少殺蟲劑的使用,但是大面積地種植轉Bt基因作物,是否會加速抗藥性昆蟲的產生也是大眾關心的問題,站在生技公司的立場也是不希望此種狀況產生,因為如果在短短數年間便產生抗藥性昆蟲,多年的研究成果便無法回收。因此如何避免過大的環境壓力,加速昆蟲抗藥性的產生是生技公司的重要課題,以孟山都的抗蟲棉花為例,該公司便要求契約農民必須種植4%非Bt基因棉花且完全不噴藥,或種植20%非Bt基因棉花,但可噴用非蘇力菌的農藥,以避免過大的生物壓力。
無論如何,新的技術總會伴隨著新的挑戰,以目前生物技術的發展及轉基因產品大量上市下,生物技術將在未來農業生產上扮演極重要的角色,許多經由基因轉殖的作物會因其高附加價值而被農民及消費者接受,例如將疫苗基因轉殖於作物上,將有益於落後地區的醫藥需求,節省冷藏疫苗及製做成本,而且針頭及處理的費用也可完全避免。
傳統的作物育種公司仍是農業產業的主力,大型的生技公司紛紛併購種子公司以擴充其生技產品的銷路,而大型的種子公司也與生技公司連盟生產轉基因作物。沒有種苗公司豐富的種源便無法生產符合消費者求新求變的需求,分子生物技術為輔助傳統育種的新工具,加速性狀的導入及固定,但仍需傳統的雜交育種組合生產商業品種。為迎接未來的生產挑戰,生物技術無疑地將與傳統種子公司攜手併進,提供全球的糧食需求。