◆◇院士會議活動報導◆◇ 第二十二次院士會議主題演講:人、植物與植物生物技術 生物組：楊祥發院士 人類生存在地球上已有兩百萬年的歷史。植物直接或間接供給我 們所需的食物與養份。倘若地球上沒有植物的存在，那麼也就沒有 綿延不絕的動物及人類。 自從進入農業社會後，世界人口逐漸增加。在公元開始時，人口 達三億左右。然而自十八世紀中葉開始，隨著科技發展，人口劇增 ，到公元1900年時，人口數已達十六億，而在1960年時已增加到三 十億，預估到公元2000年，人口將超過六十億。近年來，由於我們 的飲食習慣改變，消耗動物性食物增高。因為生產動物性食物比生 產植物性食物效率低，造成植物性食物的需求量遠高於人口的增加 率。 所幸近幾十年來，由於農業科技的進步，譬如選種、育種的進步 ，肥料的利用，灌溉方法的改進，殺蟲劑、殺菌劑、除草劑的開發 ，及交通與運輸的發達，農產品的生產量與利用，也隨著人口的增 加而有了很大的進步。然而在這樣密集農業生產下，我們卻付出了 相當高的代價。因密集的生產，使得人工肥料及農藥的施用量激增 ，造成了環境污染，因而侵蝕了人類永續生存的根基。 在此情況下，植物學者面臨了兩個挑戰：一方面，為了對應人口 的增加，必須增產；另一方面，必須維護生態系統。因此我們必須 強調永續農業的重要性。除了改進傳統的栽培方法及妥善利用生物 防治外，在促進永續農業中，生物技術將扮演一個極為重要的角色 。 自從人類歷史上出現第一個農夫後，就有了創新並改進農作物的 慾望。數千年來，人們得到好的種子是利用植物雜交並篩選表現最 好的子代而來。然而在最近的三十多年來，許多的現代生物技術改 進了傳統的育種。這些技術包括了植物組織培養，重組DNA及植物基 因轉殖。這些新的方法不僅允許植物和其它物種雜交，也創造了將 其他物種的單一基因穩定殖入植物基因組的機會。這些新的方法就 稱為植物分子育種或基因工程。在科學家或育種學家想殖入某一個 有用的特性到另一個特定的物種時，這些方法是非常有效的。 植物生物技術的起源可追溯至18世紀中，德國植物生理學家 Julius von Sachs和W. Knop的研究工作，他們發現植物可以生長在 含有必需元素的水溶液中，也就是說，植物的根並不一定生長在土 壤中。後來又陸續發現至少十種化學元素是植物生長所必需。而後 蔗糖，不同的維生素和其它的有機物也被加入培養液中以維持植物 正常生長。但直到植物激素的重要功能被發現後，植物的組織培養 才達到真正可行的境界。 植物荷爾蒙的研究進展，讓植物科學家能利用組織培養來繁殖植 物。因此，組織培養已成為生物技術中最重要的科技之一。這個技 術使得我們可以從單一細胞、一小塊的葉片或頂芽誘導而培養出一 整棵植株。目前世界上已有超過一千種以上的植物是利用組織培養 來繁殖的。最初是應用於觀賞花卉植物上，後來逐漸擴展到其他農 作物，如馬鈴薯、草莓、油棕櫚及香蕉等。組織培養的方法除了可 產生許多來源相同的子代外，亦可避免多種植物病變，例如由頂芽 分生組織得到的馬鈴薯無病毒植株，可大量提昇作物的產量。 分子生物學的進步，讓我們能利用遺傳工程技術，把我們所需要 的DNA片段經裁剪後並連接到另一段DNA而產生新的組合，並將它殖 入植物寄主之中。轉殖外來基因到植物最常用的方法便是利用農桿 菌做為媒介。它是一種散佈在土壤中的細菌，會促成植物腫瘤的形 成，這是因為農桿菌內Ti-質體上一段稱為T-DNA的基因在感染植物 時插入到寄主核內的染色體中。農桿菌的Ti-質體是一種極有用的植 物遺傳工程工具。科學家把T-DNA中可形成腫瘤的基因除去，而用外 來的基因取代。然後再用如此重組過的農桿菌來感染植物，便可轉 殖外來基因到植物體內。遺傳工程提供了農作物在未來提高產量及 品質的一個重要技術。它較傳統的雜交育種有更多好處，例如它可 以簡單且精確的插入單一基因。目前基因轉殖在農業上已有很大的 進展，包括了抗蟲、抗病、抗病毒、耐寒、抗除草劑等基因的轉殖 ，並改良澱粉、蛋白質、及脂肪酸的質與量以及改進易腐爛作物的 採後品質等。另一方面，基因工程也可把植物當作高效率的工廠來 製造高價值產物，即所謂 "分子農作(Molecular Farming)"。例如 利用植物生產疫苗及讓油菜子製造月桂酸等工業化學物。 許多從前無法基因轉殖成功的植物最近已逐漸有了突破。因此植 物基因轉殖不再是植物遺傳工程的瓶頸。而我們目前最大的瓶頸是 在於鑑定並找出有用的遺傳基因。這就需要加強植物生化、生理、 病理及分子生物學方面的基礎研究。