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《農業生物技術》評論文章之二 「植物生物技術在世界糧食系統中的作用」
(The Role of Plant Biotechnology in the World's Food Systems)
康乃爾大學昆蟲學教授/紐約州農業實驗站
A•M•謝爾頓
(A. M. Shelton, Professor of Entomology, Cornell University/
New York State Agricultural Experiment Station)
一萬年來﹐人類一直在使用自然界的植物﹐並通過選擇培育的方法改良品種﹐使植物具有理想的特性﹐比如﹕味道更好､產量更高､抗蟲害等等。因此﹐我們的遠古祖先是不會認出今天我們種植的很多農作物的。科學家把生物技術視為選擇雜交植物的助手﹐而且很有潛力為人類造福──改善營養成份､使生產方式更有益於環境和增加產量等等。目前的生物技術手段已經給醫學帶來巨大好處。今天用來治療糖尿病的胰島素制劑就是通過生物和基因工程技術生產的﹐很多抗癌和心臟病藥物也是如此。
植物生物技術的發展
玉米(玉蜀黍)的原生地是墨西哥﹐它原來是一種叫作類蜀黍(teosinte)的草﹐繁殖結構很小﹐與現今世界各地市場上所見的玉米穗不甚相像。番茄和馬鈴薯最早出現於南美洲。當時的番茄大小和葡萄一樣。馬鈴薯最初則是含有大量有毒的??生物鹼(glycoalkaloids)的多節塊莖植物。
通過祖先對植物的選擇雜交﹐我們今天食用的這些和其他數百種作物﹐無論在形狀､顏色､還是化學成份上都已經過改良﹐變得符合人的飲食需要﹐或者是具有人們所希望的特性﹐如高產､抗病蟲害和耐旱等等。這些植物不但經歷了外觀和成份的變化﹐而且也隨著多少世紀來人類的遷移及貿易而傳播到世界各地。舉例來說﹐卷心菜最早源於歐洲﹐而今在各大洲都有栽種。在今天世界的很多地方﹐消費者走進市場時所看到的是全球化的食品系列﹔在一個地區生產的食品每天都會被運送到其他各地的市場。
我們現在知道﹐我們的祖先早就是在用把一種植物的基因物質轉移到另一種植物的方式來改變植物的基因群組合。然而﹐只有到了19世紀奧地利修士格雷戈爾•門德爾(Gregor Mendel)的豆子實驗以後﹐遺傳原理才初次為人所知。在20世紀初以前﹐傳統的植物雜交手段同門德爾採用的方法一樣﹐即用人工將一種植物的花粉移至另一種具有性相容性的植物上﹐目的是把一種植物中的有益特性植入另一種植物。但是﹐有益的特性時常並不存在於性相容的植物中﹐也不存在於任何其他種類的植物中。因此﹐雜交專家便尋找其他轉移有益基因的新方法。
從1930年代開始﹐植物雜交專家研究出一種新的技術﹐能夠讓兩種在正常條件下無法產生下一代的植物繁殖後代。救胚(embryo rescue)技術就是一個例子﹐即﹕將新植物的胚放在實驗室中悉心培養﹐輔助說明它度過最初的生長階段。
到1950年代﹐雜交專家又研究出在有機體基因結構中製造變異的方法﹐即誘變育種(mutation breeding)。自然界中的植物經陽光照射等作用會不斷地､隨機地發生基因結構突變﹐從而有可能導致產生新的有益特性。誘變育種是通過採用類似的隨機過程引發植物的基因變異﹐然後通過檢驗﹐判斷這一植物是否發生了基因改變以及這些改變是否帶來了可取的特性﹐例如抗病蟲害的能力。如果結果顯示植物得到"改良"﹐那麼就將進一步測試可能同時產生的其他變異。我們日常食用的很多常見農作物都是通過救胚和誘變育種等技術發展而來的﹐而且我們吃的幾乎所有食物都有這樣的基因。
在世界發達國家中﹐很難找出沒有經過某種現代技術﹐或曰"生物技術"﹐改良的日常食品。簡單地說﹐生物技術是一系列手段﹐通過利用活的有機體或有機體的某些部份來創造和轉變植物﹐改良動植物的特性﹐或者為特定目的培養微生物。這個定義包括了人類從一萬年前最早開始的植物雜交直至今天的一切對活有機體的活動。正是由於今天所有的普通糧食作物都經過改良﹐所以植物雜交專家認為﹐所謂"轉基因有機體"(genetically modified organisms)的說法是不正確的。
"現代基因工程學"
基因工程是生物技術的一種形式﹐它通常是指將一種活的有機體──植物､動物或微生物──的一個基因復制並輸入另一個有機體。在這個過程中﹐一小塊基因材料(DNA)被放入另一個有機體中﹐以便產生所希望的結果。這與傳統的植物雜交方法不同﹕傳統的方法是將雄性植物──花粉──中的所有的可取和不可取基因與雌性植物的所有基因結合。以這種雜交方法產生的下一代也許含有可取特性的基因﹐但也將含有源於親本植物的很多不可取的基因。
基因工程的優越性在於﹐它可以做到只轉移需要的基因﹐從而大大加快了雜交培育的速度。另外﹐基因工程也比傳統雜交更有效力﹐不僅可以移植類似的植物品種的基因﹐也能夠移植遠親品種﹐甚至非植物種類。在看上去並不相關的有機體之間轉移基因之所以可行﹐是因為所有活的有機體都有相同的DNA編碼､蛋白質合成以及其他基本的生命機能。因此﹐表面上看起來也許很不相同的有機體實際上非常相似﹐至少是在分子層而言。對所有生物而言﹐相似性總是大於相異性﹐這也是在植物和細菌這兩種看似完全不同的有機體之間能夠轉移基因的原因之一。基因並不獨屬於它的有機體來源。因此﹐並沒有所謂的"番茄基因"或"細菌基因"﹔無論番茄還是細菌﹐它們都是由基因的群組合體而不是由單個基因構成的。隨著對有機體的基因群組成的更多了解我們認識到﹐大部份植物品種只是因為有很小比例的基因不同而相異﹐即使番茄和細菌也都有很多共同的基因。這些發現敘述﹐番茄和細菌曾經有過共同的祖先﹐它們經過了漫長的演化過程。
自從50年前發現DNA結構以後﹐科學家很快認識到﹐他們能夠將承載特定資訊的DNA節﹐即基因﹐轉移到其他有機體上。1972年休伯特•博耶(Hubert Boyer)和斯坦利•科恩(Stanley Cohen)共同第一次將一個有機體的一個基因分離出來並移至一個單細胞細菌﹐細菌顯現出這個基因並製造出蛋白。他們的這項發現導致對生物技術的首次直接應用──治療糖尿病的人工合成胰島素的產生﹐並且成為人所稱之為的現代生物技術的開端。
以基因工程改造植物始於1970年代末期。瑪麗-德爾•奇爾頓(Mary-Dell Chilton)和她的同事使用附著在植物上的一種普通根癌土壤桿菌(Agrobacterium tumefaciens)﹐將其一部份DNA轉移到植物上。奇爾頓和她的同事向根癌土壤桿菌置入了一個基因﹐細菌隨後又將基因轉移給植物﹐成為植物DNA的一部份。這種細菌至今仍常被用於基因工程中﹐與它同時使用的還有另外一種用高速機制將DNA注入植物細胞的技術。兩項技術的結果相同﹐即﹕植物細胞接受了這個基因﹐並且開始以自身基因的形式表現出來。
益處與風險
以基因工程手段培植的作物1996年首次在美國栽種﹐面積為170萬公頃。但是到2002年﹐栽種範圍擴大到16個國家的5870萬公頃。目前﹐種植基因技術作物的主要目的是為防止病蟲害和雜草。防雜草的效果主要是通過對一種植物蛋白脢的改造實現的。這種脢使作物能夠經受住原本會傷害它的某種除草劑。這樣﹐播種人種下耐除草劑的種子﹐待作物在田裏和雜草一起生長後﹐使用除草劑﹐雜草殺死﹐而作物不會受到損傷。這項技術給種植人帶來的好處是﹐它縮短了除草時間﹐提高了除草效率﹐讓人能夠使用更安全的除草劑﹐並且在很多情況下﹐減少了除草劑的用量。除此之外﹐這項技術還讓種植人能夠採用保護土壤的技術﹐如減少甚至免耕﹐進而輔助說明保持土壤結構及水份﹐減少對土壤的侵蝕。在2002年﹐耐除草劑的農作物(大豆､油菜､棉花､玉米)的栽種面積達4860萬公頃。
以基因工程發展出來的抗蟲害作物使用一種常見的土壤桿菌蘇雲金桿菌(Bacillus thuringiensis﹐簡稱Bt)。這種桿菌被用於噴灑式殺蟲劑已有超過50年的歷史。Bt對人體及環境無害﹐但昆蟲食入後﹐Bt的蛋白質會和其腸道中的某種分子受體結合形成微孔﹐導致昆蟲飢餓而死。
含有Bt的殺蟲產品在1930年代末期首次在法國出售﹐但即使在1999年﹐Bt產品的銷售量仍然不到所有殺蟲劑銷售量的百分之二。Bt原來只作為有限的葉子殺蟲劑使用﹐然而﹐當通過基因轉移技術能夠將產生Bt毒素的基因植入主要農作物中以後﹐它成為一種重要的殺蟲劑。目前的Bt農作物只有玉米和棉花﹐在2002年的栽種面積為1450萬公頃。抗病毒的農作物則是通過被植入植物病毒中的非傳染性成份﹐也就是「注射疫苗」﹐而形成的。這一方法被稱為病原免疫(pathogen-derived resistance)。南瓜和番木瓜都通過這種基因工程獲得抗病毒能力﹐並被批準在美國上市。這些作物的耕種面積不到100萬公頃。
目前已有的轉基因作物為種植人提供了更有效的控制害蟲的方法。和其他技術一樣﹐目前這些作物既帶來好處﹐也具有風險。但是﹐目前的資訊顯示﹐轉基因作物能夠更好地控制蟲害﹐大幅度降低用於某些農作物的殺蟲劑用量﹐讓種植人使用更安全的殺蟲劑﹐並且有助於加強人體和環境的安全。相關的管理制度以及對這些技術給環境和人體帶來的影響的認識﹐已經隨著技術的發展和科研人員對這些手段的了解而發展。
圍繞轉基因作物的很多較具爭議性的議題──殺蟲劑抗藥性､基因飄流､知識產權等──並不是這項新技術特有的問題﹐而是各種農業過程都會面臨的問題。有些昆蟲已經對Bt殺蟲劑產生抵抗力﹐這意味著有些昆蟲可能對Bt作物也會產生抵抗力。然而﹐在1996到2002年期間﹐Bt作物在全世界的栽種面積達6200多萬公頃﹐並沒有出現過關於產生抵抗力的記錄。這種現像不只是與昆蟲及Bt作物的生物特性有關﹐而且也是因為有美國管理機構的要求──環境保護局要求栽種Bt作物時必須有防止抵抗力的管理計劃。至今沒有其他殺蟲劑受到如此嚴格的規定。即使如此﹐種植人､公司和聯邦管理機構仍必須警惕這一問題﹐就如同他們也必須對非生物技術的病蟲害控制方法保持警惕一樣。
具有重要意義的是﹐要考慮到在抵抗力產生之前﹐生物技術作物帶來的環保及健康益處﹐以及一旦和在任何地方出現抵抗力時﹐應該如何控制。除了對殺蟲劑產生抵抗力以外﹐轉基因和非轉基因作物之間的基因飄流也是一大隱懮。不過﹐基因飄流現像因不同作物和不同基因而異。大豆的花粉飄流很有限﹐所以﹐轉基因大豆與非轉基因大豆交配的可能性很低﹐但其他作物也許不是這樣。因此﹐如果一種作物的基因中具有抗蟲害特性﹐而這種基因轉移到一種非轉基因的植物﹐如雜草﹐那麼﹐就應該對這種雜草在生態系統中具有的抗蟲害優勢予以評估。對非生物技術作物也應該考慮這些問題﹐但是﹐由於生物技術作物受到更大關注﹐所以非生物技術作物在這方面沒有受到同樣的注意。
展望未來
在未來﹐應用植物生物技術的潛力將遠遠不像今天這樣只局限於抗蟲害作物。目前﹐科研人員正在研究使植物具有"製造廠"的功能﹐被用於重要的藥品生產﹐成為替代能源﹐作為淨化毒性垃圾場的工具以及作為生物材料﹐如染料､墨水､清潔劑､黏膠､潤滑劑､塑膠等等。與今天的抗蟲害生物作物相比﹐這些產品也許會更使消費者看到生物技術對改善生活品質的直接作用。
當作物經過基因工程改良具有更大的保健價值時──例如當它們含有治病的化學成份或更多的重要維生素和礦物質時﹐消費者也許能夠認識到基因工程作物的更大好處。為確保這項新技術在未來的糧食和健康體系中發揮應用的作用﹐我們需要針對農業生物技術可能帶來的益處和風險展開建設性的充份討論。人們絕不應該認為任何技術﹐包括生物技術﹐將會完全解決全球的農業問題。但是﹐很多了解生物技術的人相信﹐生物技術將是使問題獲得解決的一個重要因素。
(完)
注﹕本文中的看法不一定代表美國國務院的觀點或政策。
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