改寫人類與農業未來的神技?基因編輯能否幫忙餵飽全世界

人類發展農業已經數千年,但糧食問題並未徹底化解,也難以光靠生產技術的提升來解決。(圖片來源/Markus Spiske on Unsplash

內容提供/貓頭鷹出版
文/奈莎.卡雷(Nessa Carey) 譯/陸維農

地球上的人口數量時時都在增加。1800年左右,全球人口達到10億;1930年是30億;1987年是50億。除非有彗星撞擊地球,否則根據聯合國的預測,到了2023年,全球人口將達到80億。[1]

地球上人類數量不斷增加的後果相當可怕,人們對資源的競爭愈來愈劇烈。最受到關注的一項擔憂就是,我們該如何餵飽大家?還有,餵飽大家的同時,又要如何避免破壞我們未來將要依靠的生態系?

  • 農傳媒編按:臺灣並不許可基改作物的商業性種植,僅對經過安全性評估,並通過衛福部食藥署基因改造食品原料查驗登記及許可的原物料開放進口。目前通過的品項包括黃豆、玉米、棉花、油菜與甜菜,消費者僅需留意相關產品或再製品。[2]

餵飽全世界的難題,科學能解到哪裡?

「我們無法生產足夠的糧食來餵飽全球人口」,雖然常聽到這種說法,但事實並非如此。工業化國家的人均肉品消費量是每人每年88公斤,在低度開發地區則是25公斤。除非將動物飼養在對環境衝擊低的系統中,否則就生產相同單位的人類食物而言,飼養動物所需投入的物質勢必高於植物。在集約飼養系統這樣極端的狀況下,每生產1公斤牛肉可能需要用到多達7公斤的穀物。

我們無法在最需要糧食的地方進行食物的生產和分配,這其實是一個跟物流有關的問題,浪費食物導致這個問題更加嚴重。在基礎建設開發程度較低的國家,有很大一部分的食物在送到需要的人手中之前就已腐壞。在工業化國家,有大量營養豐富的食物,因為賣相不佳而被商業食物連鎖店退回,還有更多食物是被商店或訂餐過剩的客人丟棄。就全球而言,為人類所生產的食物中,有三分之一遭到浪費。

想要餵飽不斷擴增的全球大家族,我們得解決各種重大問題。我們需要減少肉品的消費量,停止暴飲暴食,並且讓我們生產的所有食物都派上用場。要做到這些,人類的行為得改變:工業化國家大部分民眾所居住的致肥胖環境要快速減少,還要重新設定我們對食物的態度,別把食物當成便宜的一次性商品。

工業化國家的肉品消費量巨大,背後是由農業國家生產的廉價穀物支持。(圖片來源/José Ignacio Pompé on Unsplash

遺憾的是,無論是個人、政府或社會,我們實在拙於做出符合自身長遠利益的決策,要搞懂我們為什麼這麼沒有遠見,對科學來說是一項太艱難的任務,但是,也許科學能幫助我們生產更好、更充沛的食物?這時候基因編輯就派上用場了。

加速育種打造更優良的作物

植物本身有些特徵,導致在它們身上進行任何形式的基因工程都頗具挑戰性。植物細胞周圍有一層厚厚的細胞壁,因此,想要將新的遺傳材料強行加入植物細胞,可能會遭遇困難。大多數具有商業價值的植物物種中,許多都發展出相當複雜的基因體,如小麥、馬鈴薯和香蕉。幾乎所有哺乳類物種的細胞中,每個基因都有兩個複本(一個來自父親,一個來自母親),但植物在演化過程中的多個時間點,都曾對整個基因體的資訊進行複製,舉例來說,小麥的每個基因有6個複本。所以,如果想要改變小麥的某個基因,這6個複本得全部改變才行,這導致植物的基因工程遠比動物困難許多。

不過,植物也具備有用的特質,勝過它們在基因編輯上的棘手之處。舉例來說,如果你編輯小鼠腿部的一個基因,你並不能憑藉這條腿創造出一整隻經過基因編輯的小鼠。但是,任何一個總想擺脫頑強雜草的園丁都知道:許多植物可以憑著殘留在花床土壤中的一丁點根系,就長出完整的植物體。所以,一旦你成功編輯了植物細胞的基因,通常可以很簡單地增殖出許多一模一樣的植物。

植物科學家很快就意識到,基因編輯這項新技術可能大幅改革打造植物新品種的效率、速度和簡易程度。道納(Jennifer Doudna)和夏彭提耶(Emmanuelle Charpentier)發表那篇開創性的期刊文章之後僅僅一年的時間內,許多研究團體便創造出史上首批基因編輯植物。此後,研究人員持續改善這些技術,並將它們應用到各種植物物種上。[3]

道納(右)和夏彭提耶(左)是基因編輯技術的重要奠基者,兩人因此獲得2020年諾貝爾化學獎。(圖片來源/Commons CC BY-SA 4.0

各位可能會覺得納悶:何必麻煩搞什麼植物的基因編輯呢?畢竟幾千年來,光是靠著讓那些具備人類喜愛特徵的植物進行異花授粉,我們就可以創造植物新品種啊。這個嘛,速度是其中一個原因。像柑橘這種成熟時間很長,你可能要花一輩子的時間才能確定它的後代是否擁有我們想要的特徵,以及這些特徵是否可成為判定純種品系的標準。有了現代的基因編輯技術,這個過程的速度可能會加快,比完成一項博士級研究計畫的時間還短。

有時候,族群中可供處理的自然品種可能很有限。1970年代,一種由甲蟲攜帶的真菌幾乎消滅了所有榆樹,導致英國鄉間景致發生無可回復的變化。2004年,透過DNA定序技術,研究人員證明幾乎所有英國榆樹的遺傳相似度都高得驚人。其實它們全都是無性繁殖株,源自一棵兩千年前羅馬入侵時期引進英國的原始榆樹。缺乏遺傳變異表示英國沒有一棵榆樹能抵擋這種真菌,想透過雜交來創造新的品種也是徒勞無功。未來,透過基因編輯也許可以將新的品種引入到遺傳變異度受限的植物族群裡。

傳統農作物育種需時經年,尤其柑橘類等果樹需等果樹成熟、結果,耗費數十年未有突破發展亦屬正常範圍。(圖片來源/Kaylie Humphrey on Unsplash

傳統育種技術的問題還有一項,讓我們以艾爾桑塔(Elsanta)草莓為例來說明。超市很喜歡這個品種的草莓,因為只要水分充足,它的果實可以長得很大,色澤紅豔,看起來甘美多汁,經過運送也不會變得軟爛。這種草莓只有一個問題:嚐起來平淡無味。因為在跟其他各品種草莓雜交育種的過程中,讓草莓產生夏季甜美風味的基因,跟造成草莓軟爛或色澤蒼白的基因一起不見了。[4]不過,透過基因編輯,可望精準改變你想要改變的基因,讓其他基因維持不變。

解決傳統育種不易克服的難題

有希望是一回事,真正執行是另一回事。然而,突飛猛進是這個領域的發展特色,基因編輯潛在的益處正以驚人的速度實現當中。研究人員正在找尋新方法,把人類對食物的浪費程度降到最低。

雖然菇類其實是一種真菌,但它們通常出現在超市的蔬菜區,所以這裡就把它們當成蔬菜吧。洋菇老化的時候容易變成褐色,發生這種情況的洋菇常被丟棄,這其實是不必要的做法。研究人員已經能夠利用基因編輯技術打造出不會變成褐色的洋菇。如此一來就能輕鬆地減少食物浪費。

食物和人類健康之間有一項非常重要的交互關係。我們都知道,平衡及多元的飲食有多重要,但如果日常飲食中有一項成分是讓你生病的元凶呢?人類族群中約有百分之一的人受到乳糜瀉(按:也稱為「麩質敏感性腸病」)這種疾病的影響。

乳糜瀉發作時,免疫系統針對小麥所含的麩質發動有害反應,造成腸壁內襯受損,導致腹瀉和嘔吐,最嚴重的狀況還會導致營養失調和腸癌。小麥有45個會產生特定麩質,進而觸發免疫系統過度反應的基因,西班牙哥多華永續農業中心的研究團隊利用基因編輯,讓其中35個基因失去活性。他們開心地指出,以這種小麥製成的麵粉可以用來製作法式長棍麵包,但不適合製作烘焙用的切片白吐司。法國的乳糜瀉患者可開心了!

透過基因編輯,也可以降低某些調味料的製作成本。傳統的啤酒能夠獨具風味是因為在釀造過程中加入了蛇麻(即啤酒花)。蛇麻相當昂貴,而且在一般農業環境中,蛇麻的生長和收成都不容易。蛇麻還是一種很需要水的作物,每生產1品脫(按:約473㏄)的啤酒,需要50品脫的水。加州柏克萊大學的研究人員利用基因編輯技術,讓釀酒酵母產生蛇麻才有的風味。這項技術效果極佳,實際上,當地一間精釀酒廠的員工認為有基因編輯介入的啤酒,風味更勝加入蛇麻的傳統啤酒。

提升作物產量,最好又不用增加額外昂貴的成本,是農業公司和農民的重要目標,無論從商業或自給自足的角度出發都是如此。

改善作物營養也是傳統育種和基因改良作物的一大目標,圖為英國皇家學會會員Cathie Martin教授,他以基改方式育成的高青花素紫色番茄獲得美國官方認可為「精準育種」(precision breeding)成果,可能在2023年於美國上市。(圖片來源/John Innes Centre CC BY-SA 4.0

耐逆境作物的需求,已愈加迫切

打造重要食用作物的新品種,使它們能夠容忍不利的環境條件,這對農業來說至關重要。說來諷刺,這都是因為人口不斷增加,才造成這種前所未見的作物產量壓力。農業用地的鹽度正在上升,這會造成植物生長速度減緩以及產量下降。根據地理學家計算,全球有百分之二十的耕地和百分之三十三的灌溉農地受到高鹽度影響,而且這個數字每年增加百分之十。

此外,農地也變得愈來愈乾。根據聯合國計算,有10億人的生計受到土地沙漠化的威脅,而他們通常是地球上最貧窮的一群人。競爭水資源也已經成為激化國內外衝突的一項因素。

在打造更能抵抗環境壓力的作物品種這件事上,新的基因編輯技術之所以能夠快速發揮作用,土地沙漠化是其中一項原因。稻米就是非常振奮人心的例子,說明這個方法是可行的,科學家提升作物對環境壓力的抗性,同時又不會給作物產量帶來負面影響,有時甚至還能帶來正面影響。利用類似稻米的做法,已經打造出耐旱的玉米品種,而且產量還增加了百分之四。

所有技術正朝著對的方向前進,打造更能應付環境壓力的強健作物,作物產量提升,又無須增加昂貴支出,不禁令人覺得前途一片光明。不過,至少有兩個問題會減少這前途光明的程度,而且兩者都不是科學問題。這跟技術如何發展無關,而是跟民眾以及政府將會如何使用這些技術有關。

延伸閱讀:


[1] 農傳媒編注:原書英文版出版於2019年,聯合國已於2022年11月15日宣布世界人口達到80億人。

[2] 編注:產品原物料若為基改,產品標示上須清楚標明該項原料為「基因改造」,或依產品性質標示「本產品不含基因改造成分,但加工原料中有基因改造〇〇」等,如從基改黃豆提取油脂製成的沙拉油可標示「本產品不含基因改造成分,但加工原料中有基因改造黃豆」。

[3] 編注:道納和夏彭提耶為2020年諾貝爾化學獎得主,他們於2012年在《科學》期刊發表關於Cas9蛋白的發現,震撼學界;這種蛋白可用於切斷DNA,成為「基因剪刀」CRISPR 技術的重大基礎。

[4] 編注:Elsanta是來自荷蘭的草莓品種,在歐洲被大規模栽培,美國亦有生產,是全球種植最廣的草莓品種之一。由於果實表皮硬度高不易受損,貯運及上架時間長,是歐洲重要的鮮食草莓。草莓產期隨緯度等因素有所差異,作者所在的英國主要產季為5月至9月,因此文中才會形容為「夏季甜美風味」。


《竄改基因:改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》

作者:奈莎.卡雷(Nessa Carey)

翻譯:陸維農

出版:貓頭鷹出版


本文經農傳媒編輯,摘錄自貓頭鷹出版《竄改基因:改寫人類未來的CRISPR和基因編輯》,原標題為〈餵飽這個世界〉,完整內容請見原書。