科學家計畫以基因工程改良稻米解決糧食缺乏問題

褚志斌　(芝加哥大學博士後研究員)

依據科學(Science 28 July 2006, Vol. 313, no. 5786, p. 423)雜誌報導，國際性的農業生物學家計畫利用分子生物和基因工程的新技術來改良稻米，使得稻米的產量可以增加50%。這個目標非常艱難，但是農業生物學家們認為這是必須要面對的挑戰，因為稻米的產量目前已經達到極限，但是亞洲的人口依然持續大幅增加，未來40-50年亞洲人口將增加50%，所以有必要改良稻米的基因來確保糧食的充足。

這些農業生物學家認為，要促成綠色革命，應當改變稻米的基本結構。有些科學家建議，可以將稻米改良成半侏儒(semi-dwarf)的高度，因為這樣子稻子可以吸收較多的肥料，而且一旦改良品種讓穀粒重量增加時，也不會像現在正常高度的品種容易傾斜折彎。另外一個切入點，就是增進稻子光合作用的效率。

植物的光合作用分為光反應和暗反應兩個步驟。光反應中，植物葉綠體內的葉綠素等色素在陽光下，吸收680nm和700nm波長的光子作為能量，分解水分子，並將光的能量，轉換成從水分子裂解而來的電子的能量。然後將這些電子透過電子傳遞鏈，逐漸釋放出能量，產生能供生物體使用的能量--輔酶NADP。同時，裂解水分子所產生的氫離子，植物也利用其細胞內氫離子的濃度差，將位能轉化為ATP的化學能。NADP和ATP兩種化學能，則用來固定大氣中的二氧化碳，將二氧化碳轉化成為能夠充當暗反應(或稱為克爾文循環、Calvin cycle)的原料，最終將二氧化碳中的碳轉變為生物可以利用的原料---葡萄糖。依據暗反應起始原料的不同，植物可以區分成C3、C4和CAM三個種類。

稻和麥是屬於C3植物。也就是說稻子利用一種稱為Rubisco (Ribulose Bisphosphate Carboxylase)的酵素將大氣中的二氧化碳轉換成為三個碳原子的3-PGA(3-Phosphoglycerate)，成為固定碳(carbon fixation)反應的第一個原料。C3植物接著會利用光化學反應所生成的ATP以及NADPH，將3-PGA合成G3P (Glyceraldehyde 3-phosphate)，接著經過一連串步驟生成葡萄糖，完成光合作用。植物會再將葡萄糖轉換為澱粉或蔗糖等儲藏。但是Rubisco也會和氧結合。 C3植物在又熱又乾的情況下會將氣孔關閉，以減少水分蒸發。但是相對的，植物能獲得的二氧化碳也跟著減少。這時候植物體內氧的濃度就會相對增加， Rubisco也會跟一些氧作用，稱為光呼吸。光呼吸不會產生ATP或葡萄糖，反而會減少光合作用的產物，因此從農業的觀點來看是一種浪費。

相對來說，演化中適應乾旱燥熱地帶的C4植物，例如玉米，它們還有一種酵素PEP carboxylase。這種酵素會先將大氣中的二氧化碳固定成四個碳原子的Oxaloacetate。經過一系列的轉化，將這些四碳的原料交由 Rubisco固定，變成能進行暗反應的原料。這個多出來的過程，可以大舉增加Rubisco附近二氧化碳的濃度，減少氧相對的濃度，抑制光呼吸反應，也就能避免光合作用產物產量的降低。C4植物光合作用的效率比C3植物高約50%。因此理論上如果能夠利用基因工程將稻米改造成C4植物，其需要的水和肥料會減少，而且光合作用產率可以提高50%。

農業科學家相信在演化上，C3植物轉變成為C4植物，因此有一些C3植物已經具備某些C4植物需要的基因。因此國際稻米研究中心(International Rice Research Institute、IRRI)決定從其種子銀行中的6000種野生稻米，篩選出已經開始慢慢演化成C4植物的稻子。並依此為基礎，再利用分子生物和基因工程的方式引入C4植物的其他必要基因，來製造C4稻米。科學家樂觀地預期，2010年應該可以確定這個計畫的可行性。一旦確認，則會尋求國際經費支援，開始進行一個約需耗時十二年、耗費五千萬美金的稻米改造計畫。科學家認為這是最可能解決亞洲人口爆炸所產生的糧食危機的計畫。