台南區農業專訊第49期:12~16頁(2004年9月)

淺談基因改良作物

 文/圖  彭瑞菊、陳紹崇、吳雅芳、陳富永、鄭安秀

 

前言

凡是對作物於基因層次上進行修改或重組,以達到某種特定目標,都可通稱之為基因改良作物(Genetically Modified Organism;GMO) 或稱基因轉殖作物。從表面上來看,基因改良作物與普通作物似乎沒有任何區別,只是多了能使它產生額外特性的基因。自1983年以來,生物技術的快速發展,生物學家已經知道怎樣將外來基因移植到某種植物的去氧核糖核酸中(DNA),以重新組合基因的排列順序,改善作物的特性。隨著生物技術的日益發達,有關基因改良作物的研究也越來越多,約 40 種轉殖作物已經投入市場當中(包括 13 種玉米,11 種番茄及 4 種大豆品種),這是 1990 年來人類進行基因改良作物栽培史上的一場空前革命。透過這些基因上的改良,生產者可獲得更高的產量,或者減少農藥或肥料的施用,間接的減低了農業生產對環境的污染。 

基因改良作物的源起

談到基因改造,得先了解「基因是什麼」「基因」(Gene)是遺傳物質,攜帶遺傳訊息,決定生物體特質。例如:基因可決定花的顏色、植物的高度、動物的產乳量等。 中國俗話說「種瓜得瓜,種豆得豆」,又說「龍生龍、鳳生鳳,老鼠的兒子會打洞」,也同樣表達了遺傳因子的觀念。所謂「基因改造」是指針對生物的個別性狀去挑選特定基因,利用限制酵素製作出目標基因斷片,再將 DNA 斷片連接於「載體」 DNA 分子上,再將載體轉殖到目標染色體上。這個過程就是一種基因重組技術,改變生物體之基因組成與表現。基因改造生物主要是透過以下三種基因重組技術方式來製造:

增加法:為了改變動物或植物的表現性狀,而從某一物種抽取特定基因,將其殖入另一動物或植物的基因組內,例如將人類黃體素的基因轉殖入酵母菌中以大量生產避孕藥所需的主成份;又如把抗除草劑的基因殖入大豆堙A使大豆能夠抗除草劑。目前已可以將細菌、病毒、昆蟲、動物,甚至人類的基因,引入植物內,製造基因改造植物。

減少法:使特定動植物基因發生缺失,而喪失某些原有性質與功能,如減少番茄內催熟基因的數量,將減緩其組織成熟軟化,以延遲番茄的成熟期。

調節法:去除或增加某固定基因的控制因子,可以改變生物特性的表現程度,甚至是功能,造成調整生物生命特性。就像紫外線可以促成癌細胞的發生一般。如調節菜籽油內控制飽和脂肪酸的基因,使其減少製造飽和脂肪酸,降低菜籽油的飽和脂肪酸含量。

基因改造與傳統雜交均是透過人為的方法,改變植物的特性。然而,兩者卻有以下的分別: 

基因改造

傳統雜交

特定基因的選擇、抽取、分辨與轉殖

在不能選定特定基因情況下,利用染色體複製時交換基因組合,再伺環境自然淘汱。

可以接合引入任何生物基因到另一生命體內,如:把魚的生長賀爾蒙的基因引進入玉米之內。

只有染色體對數與長度相符之生物雜交才能有後代。亦即,只有在物種相似的生物之間才能進行。

可明確預期該性狀出現。

需要長時間的回交等複雜育種過程,預期的性狀才會穩定表現下來。

目前將基因重組科技運用到作物及食品的歷程,依目的性及發展性的不同,分為三個世代:第一代:僅針對作物進行抗旱、抗蟲的簡單改變。第二代:增加一些功能性,例如添加維生素 A,以防止夜盲症的黃金米。第三代:利用多個基因轉殖技術,大幅改變動植物的特性,主要用在醫藥。 在可見的未來,或許我們就可以以飲食替代藥物治療。因為經基因改造過的食品、作物或動物,可能具備了某些防治或是治療的成分。

基因改良作物栽植現況

目前全世界已經上市並商品化的基因改良作物有:

1.大豆:耐除草劑大豆(Roundup Ready)以及高油酸含量大豆。目前市面上的基因轉殖大豆 99% 為耐除草劑大豆。

2.玉米:有導入蘇力菌(BT)毒素基因,具抗蟲特性之玉米;耐嘉磷塞(Glphosate)及固殺草(Glufosinate)兩種除草劑的玉米。

3.油菜:除抗蟲害與耐除草劑品種外,還有種子中含高量月桂酸的品種。

4.棉花:棉花栽培時,最怕蟲害及雜草。基因轉殖後的改良棉花,可以達到抗蟲及方便雜草管理的目的,因此大受農民歡迎。

5.番茄:經轉殖過的番茄不易腐爛耐儲運,同時番茄的果膠含量增加,可以減少加工殘渣,降低加工成本。

6.稻米:目前研發成果有低蛋白質含量的水稻,另外還包括提高維生素A前驅物的含量(黃金米)、改良水稻中的碳水化合物、蛋白質、油脂等成分。

7.馬鈴薯:最早轉殖成功的馬鈴薯具有抗蟲及耐除草劑的特性,爾後則有抗病毒特性之品種上市。

8.木瓜:抗病毒的木瓜。

9.甜菜:除了耐除草劑的甜菜之外,荷蘭公司也開發出高果糖含量的甜菜品種。10.小麥:目前耐除草劑的小麥只在加拿大被核準可做為食品。

2003年全球各國家基因改造作物種植面積 轉基因木瓜(右)與對照組(左)單位產量之比較(中興大學葉錫東教授提供)
2003年全球各國家基因改造作物種植面積 轉基因木瓜(右)與對照組(左)單位產量之比較(中興大學葉錫東教授提供)

根據國際農業生物技術應用服務組織 (International Service for the Acquisition Agri-Biotech Application, ISAAA) 2003 統計,1996 年至2003年,基因改良作物全球種植面積連續7年保持15%的增長率,除了2002年增長12%外。基因改良作物的主要種植國家的數目,至2003年增加到了18個,其中美國種植了4,280萬公頃(占全球種植總面積63%),其次為阿根廷1,390萬公頃(21%)。以2003年而言基因改良作物的種類,耐除草劑的大豆、玉米、歐洲油菜和棉花占了基因改良作物全球種植面積的49.7%,其次抗蟲作物有 1220 萬公頃佔18%

台灣基因改良作物的發展與現況

1.     基因改良米類產品   中央研究院利用基因重組技術改良傳統米品種,使其離胺酸 (lysine) 之含量較傳統品種高;甜甜米不僅具有烹煮時自動分解澱粉的能力,澱粉含量也比一般稻米高出許多,適合製酒用。農業試驗所亦利用此技術開發出抗蝗蟲害的水稻。

基因改良水果、蔬菜及園藝類產品   中央研究院利用阿拉伯芥中找到對乙烯反應鈍化的基因,將此基因轉殖到青花菜後,發現在室溫夏青花菜可維持1個星期以上的翠綠。農業試驗所與台灣大學開發一系列的產品,包括有耐嵌紋病毒 (mosaic virus) 之芥茉葉及香瓜。中興大學開發出抗蛾害及耐高溫 (diamond-back moth, heat tolerant) 的花椰菜及包心菜,並將蘇力菌殺蟲晶體蛋白、超氧化歧化酵素、過氧化酵素及熱休克蛋白等基因轉移至十字花科蔬菜;抗輪點病毒 (paopaya ring spot virus) 之木瓜品種。亞洲蔬菜中心開發出抗胡瓜嵌紋病毒轉基因番茄品種。台灣大學園藝系利用花粉管基因導入法將花瓣老化相關ACC合成基因經反義後轉入蝴蝶蘭,可使蝴蝶蘭花瓣老化的時間延緩約30% 50%

因此,以台灣目前研究基因改良作物的主要方向與成果,多是將特性基因轉移到作物基因體中。與應用研究相關的,則有醫學或工業用外源蛋白質或酵素之基因,或防止植物老化、增加作物抗逆性(高鹽、乾旱、高溫、低溫等)及抗病蟲害特性等基因之研究。 

基因改良作物的優點與爭議

基因改良作物帶來的好處可歸納如下列幾項:

1.增強農作物之抵抗力 如對蟲害的抵抗力,以占美國玉米產量三分之二的抗蟲玉米為例,可使一年的玉米產量增加一千萬噸。

2.適應惡劣耕作條件 使農作物更能適應不利的生長環境,例如,改變作物之亞麻油酸含量,使其可以忍受低溫及霜害。

3.增加農作物的產量

基因改良作物全球種植面積不斷擴增,使農作物產量擴增。

4.改良農作物的營養成分 一般期盼之營養特性,像是增加稻米的蛋白質含量,或是降低作物中的脂肪含量...等等。至於維生素A、碘與鋅等世界性營養缺乏的問題,更可能經由基因重組的技術,使作物成為營養強化的自然食品。

5.改良食物的外觀、味道和口感 如經基因重組技術改良過的番茄,可以延緩成熟,使採收到運送至市場的時間可以延長,使消費者購買到產品時擁有最佳的色澤與香味。

6.改變農作物的特性

使其更易於加工,以降低生產成本,如經基因重組技術改良過的馬鈴薯,澱粉含量較高,油炸時吸油量較少。

7.降低農藥的使用量

基因改良作物具有抗蟲或抗病特性後,不用再使用或減少使用防治該病蟲害的農藥。

關於基因改造作物的憂慮,一般來說有下列三種:

1.如果採用基因改造的技術讓農作物具有殺蟲的能力,恐怕會傷及無辜的昆蟲。

專家說法: 根據田野研究顯示,這種風險很小。但基因改造作物對非目標生物的影響,目前不管是環保單位或是研究單位都因為持有的數據太少,而無法論斷。

2.一旦基因改造作物的殺蟲基因或耐除草劑基因轉移到野草的基因組中,將可能產生超級野草。

專家說法: 截至目前為止,還未發現所謂超級野草。但是由於經基因改造過的作物,其花粉容易使野草近親受精,所以不可以種植在這些近親植物的附近。

3.基因改造後的能力可能突然失效?害蟲演化出抗殺蟲蛋白的能力?或耐除草劑作物田堛熙弁鞳A也可能對除草劑免疫。

專家說法: 目前尚未發現此種案例,但這種可能是存在的。 

其他的爭議來自各國經濟利益以及宗教倫理性的問題:

1.宗教倫理:動物基因在植物堙]素食者可以吃嗎?),豬的基因在其他禽畜動物堙]回教徒可以吃嗎?),以及牛的基因在其他禽畜動物堙]印度教徒和不吃牛肉者可以吃嗎?),科學家扮演上帝:從物競「天」擇,變成物競「人」擇?從此具有特性基因的基因改造作物被人類大量種植,成了地球上主要的物種。

2.違反自然:動物的基因在微生物堙A細菌的基因在植物堙A海洋生物的基因在陸地生物媯扔央C

3.生命智財權:基因成為未來經濟活動的原材料,而某些「生命」也可以取得智慧財產權和專利權。但是,當愈來愈多實驗室製造出來的生命,成為「智慧財產」或「商品」時,生活在其中,是什麼滋味?或是假如少數跨國企業藉著專利取得,控制了重要的基因庫時,對於全球的經濟和社會,又將帶來什麼影響?

4.國際貿易:「生物資訊學」現在成為就業市場上的搶手貨;藥廠與生物科技公司彷彿發現了綠色的金礦,蜂湧而入的投入基因工程的研究;從不同的生物、不同的組織、不同病態的細胞中取出基因,創造另一個新的基因,每一個新的基因又牽引出無限商機。據估計,基因改造食品將具有高經濟價值,全球的基因改造作物在1999年只有二十一億美元(約合新台幣七百億元)的銷售金額,然而,兩年後立刻成長到二百五十億美元。其高經濟價值,引發了重大國際貿易障礙與環保條約之衝突及跨國生技公司貿易壟斷的問題。  

結語

一般消費者認為基因改造食品潛在危險可能來自於基因轉殖過程本身,故認為基因食品是有害的,而且以基因作物為飼料的動物,經食用後對人體產生危害。不過換另一個角度來看,即使是吃了幾千年的米,也無法保證絕對安全。天然的食品也會引起過敏、一般的蔬果也可能含有致癌物,而特定的食品在經過不同的搭配混合後,一樣會產生毒素。即使是已經確定能致癌的香菸,也擁有廣大的消費群眾。事實上,我們在改良作物的過程中所採用的育種方式,也是一種基因改造的方法。所以,對基因改造食品有必要採取雙重標準嗎?這也許是值得大家深思的問題。

基因改良作物的發展趨勢銳不可當,與其質疑或反對,不如審慎了解與監控。目前在研發與應用上,都面臨諸多問題,牽涉的範圍甚廣,有些可以隨著科技的進步得以解決更多的部分卻需要社會每一個層面的參與,積極深入了解基改作物的影響,共謀因應之道。

 

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