植物 基因工程

畜試所新竹分所  施意敏

　　自然界的動物、植物、或微生物，不論其大小、形態、生理功能、乃至行為模式等，都是由許多稱為”基因” (gene)的核酸片段(大部分為DNA，少部分為RNA)所控制。而每一生命個體所含的基因，可再藉由有性(如授粉和授精作用)或無性(如細菌分裂和植物組織培養等)生殖方式遺傳到其後代。因此，所謂的”植物基因工程”簡單地定義便是---”依據人類特定的需求進行植物基因重組和改造的工作，以獲得具有符合需要性狀的轉殖植株”。

　　溯自古埃及法老王時代，祭師們便知道挑選具有優良特性(如抗病、抗蟲、高產量等)的植株當作親本，利用人為授粉的方式來培育更優質的作物品種。雖然他們並不知道所謂的”基因”，也無法控制整個基因重組的過程，而是由後代的性狀表現來選拔優質的子代，但是廣義而言，其實早在數千年前他們即已將基因工程的理念付諸於實作當中。這種我們現在稱之為”雜交育種”的操作方式，需經由選定親本、人工授粉、子代選拔、以及一系列性狀、產量等試驗後，選出最終的優良品種而推廣，整個流程十分耗費人力、物力，並需要漫長的時間。而其另一個限制則是，人工授粉的成功與否需取決於雜交親本間能否正常地授精，親緣關係過於遙遠的物種，因為有種間不和合(incompatibility)的障礙，使得可用的基因庫(gene pool)侷限於較為相近的物種之間。

　　近些年來，因為分子生物學的進步，科學家們可以將控制各種性狀的基因自生物體內直接分離出來，經過實驗室的操作將其連接到所謂的DNA載體(vector)之後，再藉由基因轉殖(transformation)的方式，送入我們所選定的植物體內。因為此一程序並不經過有性繁殖的授精過程，所以理論上我們可跨越種間不和合的障礙，將無論是選殖自動物、植物、微生物、乃至病毒的有用基因送入植物體內表現，並進而縮短整個育種流程的時間。目前，科學界已利用基因工程的技術培育出許多具有特殊性狀的轉殖植物供人類利用，以下茲舉幾個例子略作說明。

　　馬鈴薯是全球重要的農作物之一，歐洲國家大多以馬鈴薯為主食。以突尼西亞為例，最重要的栽培品種為Spunta(佔栽培面積的60%)及Claustar(佔39%)。此兩種栽培種具有高產量的特性，但是卻對馬鈴薯病毒Y (potato virus Y,簡稱PVY)非常敏感而易受感染。PVY是屬於Potyviridae家族中的Potyvirus，一旦馬鈴薯遭到感染會造成產量的嚴重下降。PVY可以經由機械性傷害或由芽蟲以非持續性的方式進行散播。受PVY感染後，發生的症狀有組織壞死、產生斑點、幼葉變黃、葉子脫落或過熟而造成死亡。因此，科學家們利用基因選殖(gene cloning)的方式分離出PVY的外鞘蛋白基因(coat protein gene)，再藉由基因轉殖技術導入植物中。結果發現，經過基因改造的植株藉由類似免疫反應的機制不僅受到保護而免於受病毒的感染，其整體產量也有提昇的現象。

　　另一個有趣的例子是，改造植物基因組成以生產工業用原物料或高單價的醫藥用蛋白質。油菜，由於生長容易便是其中一種深受科學家喜愛的油料作物。美國加州基因公司(Calgene co.)的科學家們，從美國加州灣區的一種樹木裡分離出一個基因，當將其送入油菜體內後，此一基因產物會使油脂合成路徑提前結束，造成原本應合成含十八個碳的正常油菜油，變成了只含十二個碳的月桂酸(Lauric acid)。而這種指肪酸是椰子油和棕梠油的主要成分，也是製造肥皂和清潔劑時所必須的原料。田間試驗結果發現，經過基因改造的油菜生長和產量並未受到影響，但是，相較於需大量進口的椰子油和棕梠油，如今人們只要種植數公頃的油菜田即可收穫相同的成分！

　　農業科學的進步日新月異，藉由植物基因工程技術的成熟，不但使科學家們多了許多恣意揮灑的空間，也讓二十一世紀人類的生活方式邁入了另一個多采多姿的世界。