甘藷抗蟲基因轉殖至菸草。轉殖表現強抗蟲力(左)，對照株則遭嚴重蟲害(右)。(台灣大學植物系葉開溫教授提供)
漫談生物技術在作物抗蟲之應用
文/圖 楊藹華
前言
「龍生龍，鳳生鳳」這句俗語說明了遺傳物質從親代到子代，代代間訊息的傳遞。1866年奧地利修道士孟德爾（G.J. Mendel）發表論文 ”植物雜交試驗（Experiments in Plant Hybridization）”，揭開了遺傳學的奧妙。1953年Watson and Crick提出了DNA（去氧核醣核酸）雙螺旋之模型，遺傳的中心問題獲得解決，也為今日的重組DNA技術，奠定了根基。重組DNA技術又稱遺傳工程，即在生物細胞外將DNA分子重新組合，再將組合後的DNA分子移至適當細胞中增殖。目前重組DNA技術廣泛應用於各領域，成為生物技術中一項極重要關鍵性技術。生物技術在各先進國家積極研究發展下，已成為廿一世紀之「醒目產業」；我國亦在此一發展趨勢下，自民國八十年將生物技術列為國建計畫中關鍵技術之一，涵蓋範圍很廣包括醫藥、食品、能源、礦業、化學、環境等工業及農業。
利用生物技術開發殺蟲藥劑
農作物生產過程中，常因病蟲害與雜草而造成作物生長受阻害，如每年全世界農作物單單被線蟲危害所造成之損失高達770億美金，傳統應用於病蟲害防治之方法不外乎輪作制度、藥劑施用、生物防治、育種方式，其中以藥劑防治確實達到植物保護的效果，但長期使用藥劑的結果卻造成了環境污染、使得許多農地降低生產力，而某些害蟲也因突變產生抗藥性，防治效果也大打折扣，甚至藥劑流入地下水源，污染水源進而影響人體健康。
人類在長期與植物病蟲害鬥爭過程中即已知道某些昆蟲的病原微生物可用來殺死害蟲，此為一種利用天敵微生物進行病蟲害防治之構想，根據此構想最早開發成功的細菌製劑為B.P.(Bacillus popilliae)，在美國以Doom 或Milky spore商品出售，乃利用B.P.芽胞所產生的結晶物質（並非毒素），主要原理係由於芽胞感染昆蟲幼蟲後，進入消化管發芽成營養細胞，再經由腸組織進入體腔內，在體腔中部不斷增殖，最後使得昆蟲幼蟲體色轉乳白色而死亡，又稱牛乳病（Milky disease）。
上述B.P.目前已被蘇力菌（Bacillus thuringiensis）簡稱B.T.所取代。蘇力菌是一種格蘭氏陰性細菌，與B.P.極相似，但其殺蟲活性主要來自芽胞形成期產生的伴胞晶體蛋白，此結晶蛋白具毒性，此毒性共四種，被分為α-外毒素、β-外毒素、δ-內毒素及虱因子，其中δ-內毒素是一種蛋白質，可以利用重組DNA技術將蘇力菌毒素蛋白質的基因導入大腸菌、枯草菌或Pseudominas菌內，利用這些菌大量生產殺蟲蛋白質而應用於農業上。主要抗蟲原理，為當昆蟲食入此結晶蛋白質後，昆蟲腸內鹼性環境，會將蘇力菌毒素蛋白質先分解成分子量約65∼160kD左右蛋白質，當其進一步被蛋白質酵素水解成更小的polypeptide時，會對昆蟲造成毒性，首先破壞昆蟲食道的表皮細胞，使表皮細胞膨潤、破裂進而導致蟲體的死亡。蘇力菌劑是所有微生物殺蟲劑中與化學性殺蟲劑性狀最接近者，在美國、比利時、英國、芬蘭、義大利等國家已被商業化量產。目前蘇力菌製劑產品有多種，但每一種蘇力菌製劑能作用的昆蟲範圍非常專一，且在環境中不穩定，尤其在強光照下很快失去活性，造成應用上的限制。因此生物學家便思考將製造蘇力菌毒素蛋白的基因直接導入植物，使植物具有抗蟲性。
利用生物技術轉殖抗蟲基因
| 一般而言，抗蟲性基因來源大致上可分三類：（1）微生物類，如蘇力菌B.t毒素與原野菌屬或真菌之異戊烷基轉移脢與膽固醇氧化脢，（2）高等植物類，如各種蛋白質酵素或澱粉酵素之抑制劑；（3）動物類，如絲氨酸蛋白酵素抑制劑、小牛胰蛋白酵素抑制劑及幾丁質酵素。最早成功的例子是在二十世紀初期，美國佛羅里達州運用真菌Aschersonia控制了柑橘白粉虱病，事實上自1980年代開始，隨著生物技術的進步與抗病、抗蟲基因的發現，於是藉由各種基因轉殖方式(農桿菌感染、電穿孔、基因槍、粒子槍等)，將這些具有特性之防禦基因轉殖入植物中，並使其特性表達出來，以達品種改良的目的。1987年Korth等，Fischhoff等及Vaech等三群學者分別將蘇力菌毒素轉殖到煙草及番茄中，而得到具抗蟲特性的植株，後來又陸續有馬鈴薯、棉花、大豆、白楊樹等轉殖成功的例子。目前世界上已經有許多基因轉殖的農產品問世， | 甘藷抗蟲基因轉殖至菸草。轉殖表現強抗蟲力(左)，對照株則遭嚴重蟲害(右)。(台灣大學植物系葉開溫教授提供) |
| 例如孟山都(Monsanto)公司所生產的玉米、大豆、棉花及馬鈴薯品種中導入抗殺草劑或抗蟲基因，使農業品種改良上更是進一大步。但蘇力菌轉殖作物—玉米之花粉導致帝王蝶死亡(1999年John等在自然（Nature）雜誌所發表的報告)，引起世人對基因轉殖植物之安全性以及其對生態環境之影響的話題。 | |
在傳統作物育種上培育具抗蟲性之作物一直是育種家的主要目標之一，事實上，植物在感受病菌的感染或昆蟲攻擊時，會釋放某種訊息進而誘導產生防禦性質的化學物質，可單獨或是協力的抵抗外來昆蟲或病原菌的攻擊。這種可被誘導的化學物質可於細胞組織中被發現，包括抗生素、植物鹼及帖類化合物，或蛋白質類的酵素抑制劑及擬集素；因此，配合分子生物學技術，利用分子標誌及定位選殖等方法，自某種抗蟲作物中篩選出與抗蟲能力有關的系列基因，之後再轉殖這些基因至同種作物上，可能是最有效的策略之一。另一種則為篩選自然界中有效的蛋白質類酵素抑制劑基因，由於蛋白質酵素抑制劑被認為在動物和微生物的消化過程中扮演重要角色，通常高濃度的蛋白質酵素抑制劑會嚴重影響動物和微生物消化過程及干擾生長使其發病。因此，科學家便開始在自然界各種植物中找尋是否有相同的蛋白質類酵素抑制劑，目前已知植物體中所存在蛋白質類抑制劑，除了可調控蛋白質活性外，尚可保護植物體或組織避免受到外來蛋白質酵素分解，抽取具抗蟲性植物蛋白質酵素抑制劑基因，並將此基因轉殖至其他作物，使轉殖基因作物因此得到抗性，已廣泛被研究植物蛋白質類型為絲氨酸(serine)系列-胰蛋白酵素抑制劑（trypsin）此類型基因的效應主要是對抗鱗翅目及鞘翅目的昆蟲，此種胰蛋白酵素抑制劑普遍存在多種作物內，如牛豆、大豆、番茄、馬鈴薯、大麥、玉米、甘薯等，1987年以牛豆胰蛋白酵素抑制劑基因藉由農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)將此基因轉殖至菸草，並證明轉殖植株確實能減少菸草青蟲（Heliothis virescens）的危害；另一類為半胱氨酸(cysteine)系列-半胱氨酸蛋白酵素抑制劑(cystatin)，此類型的基因是抗線蟲有效的類型，植物半胱氨酸蛋白酵素抑制劑已經被證明存在水稻、玉米、大豆、高粱等作物，且1995年以水稻半胱氨酸蛋白酵素抑制劑基因轉殖至阿拉伯芥植物也被認為可以增強抗鱗翅目昆蟲及抗根瘤線蟲的危害。這些高等植物的蛋白質酵素抑制劑之共同特性：大多屬於貯存性蛋白質，為外生型基因調節表現，屬多基因型態，分子量很小僅5kD至15kD左右，加熱至某一定高溫時會使其喪失活性；蛋白質抑制劑抗蟲原理大多藉著它與蟲體之代謝途徑中酵素結合，使得昆蟲食後無法獲得足夠的養分，甚至餓死，達到抗蟲的效果，此與蘇力菌所產生之毒蛋白毒死昆蟲的機制不同，但其抗蟲性比蘇力菌差且劑量多寡不容易控制，而且昆蟲攝食的多樣性及演化上的結果，造成抗蟲性效果程度不一致為其最大缺點，尚待找出最適當的抗蟲濃度標準。
結語
由於地球各種生物均有其生存權力，但人類為獲得所需及無限的貪婪，按人類理想，創新各種對抗行為。人類期望有安全性高的殺蟲劑開發，或轉移各種外來基因而育成具抗性之作物，只要是具安全性及對生態環境不造成破壞且有助於生產人類足於溫飽的糧食都是今後努力的方向；抗蟲基因轉殖作物雖可減少殺蟲劑的使用，但其是否會有加速昆蟲抗性的產生，危害生態環境及安全性問題，帶來負面的影響，也一直為世人所關切。新技術伴隨著新的挑戰，未來對於作物抗蟲性的研究，仍將持續不斷進行研究，基因轉殖植物仍將是未來農業生物技術中不可或缺的方法之一。
