這個時代的水稻不容易！除了當食物，還要進廠維修成為更「耐操」的米？
中央研究院植物暨微生物學研究所院士賀端華，長年關注糧食安全與產量問題，更於 2024 年獲美國植物學會（American Society of Plant Biologists）肯定，授予「查爾斯・萊德・巴恩斯終生會員獎」（Charles Reid Barnes Life Membership Award）。在他看來，提升水稻適應力不只勢在必行，更是迫在眉睫的重要任務。但為什麼米種得好好的，還要研究如何抵抗逆境呢？哪種方式比較能派上用場？我們現在已經能做到什麼程度了呢？
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極端天氣事件影響作物生長，提升水稻適應力是迫在眉睫的任務。圖片來源：GlimpseDays／shutterstock.com
氣候變遷對農業的珍貴啟示
近年來極端天氣事件頻發，衝擊全球農業生產。氣候變遷對農業總要素生產力的影響來自多個層面，像是乾旱、洪水和高溫等「逆境」，不僅直接影響作物生長，還可能導致土壤退化、水資源短缺等長期問題，農業生產效率自然低落。
美國過往曾對重要作物產量統計，並比較 30 ~ 50 年內的「最高產量」與「平均產量」，發現最高產量是平均產量的三倍。這意味著什麼呢？賀端華院士解釋：「當風調雨順的時候，這些作物產量自然會增加很多，而平常碰到的狀況大多不是風調雨順。」言下之意，「這些作物的潛力很高，只是因為環境的影響，使得它們沒辦法完全發揮。」
讓水稻絕處逢生的逆境蛋白
賀端華院士近來的研究重點之一，正是「逆境蛋白」（stress proteins）。「所有的植物、動物和微生物都有許多逆境蛋白。」顧名思義，「當生長環境變得不太順暢時，這種蛋白就會讓它們只表現那些需要用到的基因。」
賀端華院士再以種籽脫水後的生存情況為例，深入說明：「種籽的基因體基本上跟葉子和根一樣，那為什麼種籽可以不怕乾旱，而葉子和根就不行？這表示在種籽發育後期，此類基因可以讓所謂的『後熟蛋白』大量產生，使種籽不怕破損。」他進一步指出，同為水稻，種籽的這些基因也能在葉子和根裡找到，若能找到使該基因在種籽以外的部分大量產生的方法，便可助水稻抵禦缺水環境，而且不須用到其他生物的基因。
逆境蛋白的研究，為開發更具抗逆境能力的水稻品種提供了重要的理論基礎。透過理解這些蛋白質的作用機制，科學家們就能針對需要的特性精準改良。
強化逆境蛋白的遺傳學方法
要讓逆境蛋白更「搶戲」點，其中一個選項是水稻育種，也就是利用遺傳變異來改良作物的遺傳特性。
傳統作法比較複雜。假設甲水稻品系擁有一個能抵抗某病菌的特殊基因，這時就要透過雜交，讓該基因從甲品系傳到乙品系。「這要做個四、五年才做得出來，有時候還不一定會成功。」賀端華院士笑著說道。
有人可能會問，何不乾脆做基因改造？即是把抗病基因從甲品系裡游離出來，然後再整段搬到乙品系裡。賀端華評論道，「這種方法確實快得多，也做得很好」，只是民眾接受度有待商榷。
眼下還有一種作法，不用一言不合就把人家整段基因挪作己用，那就是基因編輯。假設今日我們在乙水稻品系裡發現了一個類似於甲水稻品系的抗病基因（也許 95％ 的序列一樣、僅有 5％ 不一樣），只是特性不像甲品系那麼優異，那麼就可以在乙品系裡針對該基因片段進行修飾。賀端華院士再以改稿作比喻：「基因改造是大改，而基因編輯就是改幾個字，甚至只改變發音（比方由一聲變成二聲）或錯字，改變幅度很小。」賀端華院士也指出，基因編輯作物早已獲得日本人的普遍認可，「他們甚至有基因編輯的番茄和魚上市了！」
找關鍵基因的老方法：一直生，直到生出對的孩子
為了發現和理解新的抗逆境基因，賀端華院士與其研究團隊選擇的技術是「數量性狀基因座定位」（quantitative trait locus mapping, QTL mapping）和「全基因組關聯分析」（genome-wide association study, GWAS）。都是中文字，擺在一起好像就看不懂了？簡單來說，這是一個找到「我們要改的那段基因在哪裡」的過程。
誠如前面所說，各水稻品系有自己的基因體且大致相同，只是有些長得稍高，有些產量大，有些則比較抗病。該如何找到與這些特殊性狀有關的基因？答案是：把基因定序出來，再逐一比對。
傳統的 QTL 方法建立在雜交基礎上。賀端華院士為我們做了生動比喻，首先是「一個很抗逆境的爸爸加上不抗逆境的媽媽，生出來的小孩再往下衍生孫子、曾孫、玄孫⋯⋯一路產下幾百個後代。」之後，我們便可知道哪些孩子「比較抗逆境」或「比較不抗逆境」，將序列定出來後一切就明朗了。
所有品系都拿去定序，交給電腦找答案吧！
說到 GWAS，則可以理解為 QTL 的進化版，賀端華院士以他過去收集近 500 個不同水稻品系、建立資料庫的經驗為例。定序技術在二十年前又慢又貴，如今花不到幾天的時間就能完成，因此可以把這 500 個品系的基因體先做定序，再將第一到最後一個鹼基、序列等資料輸入電腦、建立資料庫，找出當中有差異的那一小部分。
假設今天要找一個抗旱基因，「我們就把這 500 個品系拿去做實驗，觀察它們在乾旱時的表現。」有些品系表現較好，有些普通，當然也有奇差無比的，最終便可歸納出一個「漸變」（gradient）的圖像。將這 500 個品系的行為與全基因體序列丟給電腦運算，最後可能有 20 組基因與抗旱有關；20 個基因裡可能有 15 個是對的，縮小範圍後就能逐一篩選。
相比 QTL，GWAS 除了速度更快，「也不會遺漏任何東西」，能更全面地捕捉到與目標性狀相關的遺傳變異。賀端華院士也指出，定序的品系數越多，精準度就越高。「目前全基因體的定序已完成品系高達 3,000 個，只要有新品系出現，全基因序列一眨眼就定出來了！」
改變基因，真的好嗎？
基因的改動與編修當然不是水稻對抗逆境的唯一解方。「台灣人很寵水稻，以前總是給它們灌一大堆水，現在才知道根本不需要。」賀端華院士指出，只要稍加「訓練」，水稻也可以在不改變基因體的前提下活得不錯。
之所以對基因做出改變，是希望能做到更多，畢竟水稻依舊難敵乾旱與滅頂之災輪番上陣。「今天下雨水多得一塌糊塗，下禮拜可能水流光後又變得很乾，然後突然又下了一個暴風雨。」殷鑑於氣候與環境變遷益發極端，提升水稻適應力勢在必行。
最後，許多人可能對改變基因有所顧忌，賀端華院士是這樣想的：「兩、三千年前，玉米的老祖宗還比較像水稻，現在會長成這樣就是因為當中的兩個基因改變了。當時的印第安人不懂分子生物學，說明這變化再自然不過了。」他期待人們對科技的眼光能再更開放些，不要過度擔憂，也將持續耕耘水稻創新技術應用，盼打造出能適應多種極端氣候條件的「超級水稻」，化解糧食危機。
資料來源
- 採訪中央研究院植物暨微生物學研究所賀端華院士
※本文根據知識共享協議（CC BY-NC-ND 3.0 TW）最初發表於「科技大觀園」，原標題為〈給你耐操又勇健的稻米！看科學家如何幫助水稻對抗生存逆境〉。
