2010年1月4日

農業生技大事件—水稻基因體庫的建立

作者/余淑美、羅舜芳(任職中研院分子生物研究所)、邢禹依(任職中研院植物暨微生物學研究所)

稻米是全球最重要的作物之一,在糧食危機的陰影中,如何高效率生產稻米成為首要的課題。而台灣的科研菁英加入國際合作的水稻基因體計畫後,研究貢獻卓著,為糧食增產的目標盡一份心力,也為世界帶來一線曙光。

近十年來,基因體研究是全球熱門的領域,目的在於了解所有基因的結構與功能。以基因體的尺度而非個別基因來進行研究,可兼顧基因間的交互作用與整體表現,並利用不同物種基因來源的資訊作更廣泛的比較與探討。總體而言,進入基因體生物學時代後,資訊大量累積,研究工作可較全面性及系統化,加速生命科學的研究與進展。

植物學家的新挑戰:糧食問題

在二十一世紀初期的今日,植物學家面臨著很嚴苛的挑戰:在未來四十年內,世界人口將增加50%,但在有限的耕地上,以目前的科技欲相對增加糧食的產量有很大的困難;同時,為了因應日益高漲的環境保護意識,必須減少肥料、農藥、殺草劑的施用量,以達到永續經營的目的。為此,科學家對於作物中,控制抗病蟲害、耐旱及高鹽、耐高低溫、加速生長、提高產量及品質等性狀的基因及其功能,均積極投入研究與開發。若對水稻基因體的構造與功能有深入的了解,將有助於克服上述挑戰。

人類的主食大部分來自禾本科植物的種子,水稻、小麥和玉米為全球前三大的農作物,年產量與耕種面積均遠超過其他的作物。前二者為人類直接食用,後者則主要做為動物飼料。

水稻約為全球50%人口(近30億)的主要糧食,栽培區域遍布各大洲超過100個以上的國家。由於稻米兼具易調理、營養健康及多樣化的特點,普遍受到喜愛。因此如何改進稻米的品質及增加產量,便成為全球植物學家及稻米育種學家極為關心的課題。

目前水稻是研究植物基因體功能最重要的單子葉模式植物,原因是其基因體比其他重要榖類作物(小麥、玉米、大麥等)小很多。其基因體定序已完成,故基因結構分析資料庫豐富,易進行突變及遺傳分析,而且基因在染色體上排列順序相似於其他榖類作物,已知功能之基因可應用於他種作物的研究,成為進行基礎及生技應用的功能性基因體研究最佳的材料。

中研院加入國際合作計畫

鑑於水稻基因體學研究的重要性,國際合作計畫於1998 年成立,共同進行水稻基因體定序分析,中研院植物所(現植物暨微生物研究所)於1999 年加入此計畫。

水稻基因體由12條染色體組成,共約4億鹼基對,其大小為人類基因體的八分之一,上面記錄著水稻各種生長、繁殖及米質等重要性狀相關的遺傳信息。此國際合作計畫共10國參加,包括日本、南韓、英國、美國、台灣、泰國、印度、法國、巴西與中國,於2002年底完成高品質初稿,在2004年完成定稿。水稻基因體計畫所要求的定序品質非常高,錯誤機率必須小於萬分之一,亦即每1萬個鹼基對只容許出現1個錯誤。

中研院參與水稻第五號染色體的定序解讀,此龐大計畫的經費由國科會、農委會、中研院及植物所支助,由邢禹依與周德源共同主持,其他參與的主持人包括中研院植物所鄔宏潘、陳慶三、鍾美珠、蕭介夫、成功大學陳虹樺、榮陽團隊蕭廣仁、蔡世峰,以及賽亞基因公司陳奕雄;而參與的年輕人如博士後研究員、研究生、研究助理等則有約一百人。經過七年的努力,終將第五號染色體共計29916617鹼基對精確地解讀出來,涵蓋了此染色體的99.1%,成功率在12 條染色體中名列第三。如果以染色體的鹼基對數目除以國民人口數,則台灣為全球第一。

參與第五號染色體定序解讀的期間,台灣以定序資料發表了多篇重要文獻,包括兩篇刊登於世界知名的雜誌Nature。由於台灣準時完成了高品質整條染色體的定序解讀,得到了各國高度的評價。這些經驗讓台灣有足夠的知識及技術進行下一階段的功能性基因體研究。此外,當初參與計畫的年輕人已有數位在大學任教或繼續深造。七年的努力開花結果,確是整個工作團隊的榮耀。【更詳細的內容,請參閱第481期科學月刊】

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