抗蟲基因轉殖作物之研發
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(2) 96 作物蟲害之非農藥防治技術. 抗蟲基因轉殖植物發展現況 農業試驗所應用動物組王清玲博士等曾在 2004 年撰文，詳細介紹 全球抗蟲基因轉殖植物的發展現況，因此本文不再詳細贅述，整理簡 述目前發展概況。. 一、蘇力菌內毒素蛋白 在四大抗蟲物質中，首先被成功研發之植物為具蘇力菌(Bacillus thuringiensis Berliner, Bt) 內毒素的轉殖作物 (Hilder, 1987 ; Veack et al., 1987) ，這些被稱為 Bt 植物是目前唯一商業化且大量生產栽培的抗蟲 基因轉殖作物，主要是防治鱗翅目或鞘翅目害蟲，尤其是 Bt 玉米及棉 花為大宗，用以防治玉米穗蟲、甜菜夜蛾、玉米螟、菸草夜蛾、科羅 拉多金花蟲 等(王等 2004)。用於轉殖蘇力菌毒蛋白的品系包括 cry1、 cry2、cry3 及 cry4 等基因， cry1 對鱗翅目、cry2 對鱗翅目與雙翅目、 cry3 對鞘翅目及 cry4 對雙翅目的昆蟲有毒效。其中以 cry 1 應用最普 遍，又再分為多種不同品系，各品系產生不同之毒蛋白，對不同種類 的鱗翅目昆蟲各具不同程度的毒性，cry1Ab 是其中最常應用的一種。 目前許多生物科技公司積極開發殖入雙重基因，使作物同時表現兩種 新特性，如 Aventis 公司研發出一種玉米，即同時殖入蘇力菌毒蛋白 cry9C 與抗嘉磷賽(glyphosate)殺草劑的基因，因此對歐洲玉米螟與嘉磷 賽殺草劑均具抗性。孟山都(Monsanto)公司將蘇力菌毒蛋白 cry3A 基因 及抗病毒基因同時殖入馬鈴薯，使其同時可以抗科羅拉多金花蟲與病 毒病(Potato Leaf Roll Virus 或 Potato Virus Y) (Cornell University, 2004)。 台灣各大學及研究試驗單位多位研究人員也致力於開發本土的 Bt 植物轉殖或改良 Bt 菌株的殺蟲效果， 例如將蘇力菌臺灣分離株 E 9-11 之 cry1 Ac 基因，以 PCR 增幅等方法，轉殖菌株成功表現出 130 kDa 蛋白質產物，(曾等, 2002) ，該轉殖菌對小菜蛾幼蟲效果較遲緩、但後 續具良好的殺蟲活性。或以 PCR 的技術，對蘇力菌台灣分離株 D4-01， 進行 cry 1Ac 型毒蛋白 基因的全長增幅，隨後接入載體 yT&A，成為 質體 p1AcTA1 。並以電穿孔法送入 無質體之蘇力菌 Cry - B 中，得 到轉殖的蘇力菌株 1Ac 5SB 。此一轉殖具良好的殺蟲活性， 處理擬.
(3) 利用天敵防治作物害蟲 97. 尺蠖(Trichoplusia ni) 2 齡幼蟲及小菜蛾 (Plutella xylostella)3 齡幼蟲， 72 小時後，可達 80 ～ 90% 的致死率(陳, 2006)。此外在芥藍菜嫩葉 上篩選出本土葉表生菌(Erwinia herbicola)中轉殖入蘇力菌(Bacillus thuringiensis)基因 cry1Aa1 的質體，得到的轉殖株總蛋白質抽出物，在 濃度為 2.5 mg/ml 下，餵食小菜蛾三齡幼蟲 72 小時後，幾乎可達到 100 % 的死亡率。使 Erwinia herbicola 不但具有抗火燒(fire blight)病原菌 Erwinia amylovora 的生長，同時具抗蟲的效果，提高 E. herbicola 在經 濟作物保護上的利用價值(林等, 2002). 二、 凝集素(Lectins) 植物凝集素重要作用之一就是避免植物受到其他動物或昆蟲侵 害，是一種植物防禦蛋白(defensive protein)或稱為殺蟲蛋白(insecticidal protein)。尤其是在豆類種子中普遍存在這種抗蟲物質，相關化學研究 甚為廣泛且深入，例如菜豆(Phaseolus vulgaris L.)種子已經分離出至少 10 種不同結構與性質之凝集素 Hamelryck et al., 1996)。昆蟲取食含有 凝集素成份的植物後，凝集素與昆蟲腸道尤其是中腸壁之醣蛋白結 合，使腸道的生理代謝作用受到抑制，無法正常吸收營養成分，腸壁 的絨毛組織崩解破壞，引發病灶，導致消化道內細菌增殖，造成傷害。 中毒昆蟲會出現進食停滯、攝食減少、體重無法正常增加等現象 目前研究最多的的凝集素有小麥凝集素(wheat germ agglutinin, WGA)基因及或自石蒜科(Amaryllidaceae)雪花蓮(snowdrop, Galanthus nivalis L.) 所 分 離 出 的 凝 集 素 (Snowdrop lectin, Galanthus nivalis agglutinin, GNA)。在小麥凝集素殖入玉米中，可以防治歐洲玉米螟 (Ostrinia nubilabis (Hübner)) 與 鞘 翅 目 金 花 蟲 科 的 胡 瓜 斑 甲 蟲 (Diabrotica undecimpunctata Mannerheim )( Czapla and Lang, 1990)。雪花 蓮凝集素殖入水稻、菸草、馬鈴薯及小麥等作物，對於某些鱗翅目害 蟲如蛾類與同翅目害蟲如蚜蟲、飛蝨類有抑制作用(Down et al. 1996; Fitches et al., 1997; Foissac et al., 2000; Gatehouse et al., 1997; Powell et al., 1993; Stoger et al., 1999)。 中央研究院研究人員自抗蟲綠豆品系(VC6089A)分離出 VrD1 的防.
(4) 98 作物蟲害之非農藥防治技術. 禦素，含豐富的半胱胺酸的蛋白質，亦稱為 VrCRP 是目前唯一兼具抗 病原菌及抗蟲害功能的防禦素(陳, 2005)。並嘗試以將 VrCRP 基因轉殖 到蕃茄，培育具抗病蟲害的新品種蕃茄。. 三、 酵素抑制物 (Enzyme inhibitors) 具 抗 蟲 效 果 的 酵 素 抑 制 物 包 括 ： 蛋 白 酶 抑 制 物 (Protease inhibitor)，澱粉酶抑制物(α-amylase inhibitor)，其中以蛋白酶抑制物研 發應用最為普遍，如 serine 蛋白酶抑制物質的胰蛋白酶抑制物 (trypsin inhibitor)，該成分在豆類種子中尤其普遍。昆蟲消化道內原有胰蛋白酶 trypsin，作用於蛋白質，分解蛋白質成小分子生鏈(peptides)，再經 peptidase 作用，生成氨基酸類。此蛋白酶抑制物質被昆蟲食入後，蛋 白酶就會失去功能，以致蛋白質無法分解，昆蟲無法吸收蛋白質營養 成分。應用基因轉殖技術，使作物具有生成此抑制物的表現基因，作 物即具有抗蟲性。 目前研發將翼豆(winged bean)或大豆的胰蛋白酶抑制基因轉殖入 水稻，可以抗拒二化螟 (Chilo suppresalis (Walker))(Duan et al., 1996; Mochizuki et al., 1999; Xu et al., 1996)及褐飛蝨(Nilaparvata lugens Stal ) 幼 蟲 有 抑 制 作 用 。 大 麥 種 子 中 trypsin inhibitors 基 因 轉 殖 至 小 麥 (Triticum aestivum L.)，對麥蛾(Sitotroga cerealella (Olivier))幼蟲的生長 有 抑 制 作 用 。 將 芥 菜 的 trypsin inhibitors 轉 殖 至 菸 草 、 芥 菜 (Arabidopsis)、油菜(oilseed rape)，對於小菜蛾(Plutella xylostella (L.))、 夜盜蟲(Mamestra brassicae (L.))及 Spodoptera littoralis (Boisduval)有不 同程度之毒性(De Leo et al., 2001)。轉殖綠豆的 trypsin inhibitors 馬鈴薯 植株，使葉片含有 TI 為可溶性蛋白質約 1%的濃度，可使番茄淡紋褐 翅夜蛾( Lacanobia oleracea1 (L.))幼蟲體重減輕，各齡蟲發育時間均延 緩，整體生長發育受到抑制作用。 台灣研發將台農 57 號甘藷的胰蛋白酶抑制物殖入煙草，將使斜紋 夜盜蟲(Spodoptera litura (F.))幼蟲生長緩慢，體重與存活率均顯著降低 (Yeh et al., 1997)。除嘗試將甘藷的抗蟲基因轉殖至十字花科蔬菜，亦 將此抗蟲物質轉殖入菊花上，初步測試結果轉殖株被斜紋葉盜幼蟲取 的食面積較對照小。.
(5) 利用天敵防治作物害蟲 99. 四、酵素( Enzymes) 此類抗蟲物質主要包括：幾丁質分解酶(Chitinase)及膽固醇氧化酶 (Cholesterol oxidase)。若植物會產生幾丁質分解酶，被昆蟲取食後，對 其外骨骼部分作用較輕微，主要毒害是發生於昆蟲中腸壁對圍食膜的 破壞。膽固醇氧化酶則來自細菌中，其效用則是破壞昆蟲消化道細胞 的細胞膜。 目前自菸草天蛾(Manduca Sexta (L.))體內分離出三種幾丁酶， (Zhu et al., 2001)，其中一種轉殖於馬鈴薯後，葉片含有該成份對於象 鼻蟲( Oryzaephilis mercator (Fauvel)幼蟲及番茄淡紋褐眼夜蛾幼蟲 (Lacanobia oleracea (L.))有致死效果(Wang et al., 1996; Gatehouse et al., 1997)。或者來自鏈球菌 Streptomyces albidoflavus 的 chitinolytic enzymes (endochitinase and chitobiosidase) 殖 入 番 茄 ， 可 以 減 緩 擬 尺 蠖 (Trichoplusia ni (Hübner))幼蟲生長速度，使死亡率增加(Gongora et al., 2001)。 膽 固 醇 氧 化 酶 對 某 些 棉 花 鱗 翅 目 害 蟲 ， 如 菸 芽 夜 蛾 (Heliothis virescens (F.)) ， 美 洲 棉 鈴 蟲 (Helioverpa zea (Boddie)), 紅 鈴 蟲 (Pectinophora gossypiella (Saunders)) ， 亦 有 某 種 程 度 的 抑 制 功 效 (Greenplate et al. 1997)。. 未來展望 作物抗蟲相關的轉殖技術研究頗多，除上述幾種較為顯著的抗蟲 成分外，研究人員仍不斷努力篩選，尋求其他可能的化學抗蟲物質。 迄今商業化大面積栽植仍侷限於蘇力菌毒蛋白的轉殖作物。由於受作 物類別與栽種面積的限制、或有不利於人畜健康的疑慮、或是田間防 蟲效果未達足堪應用階段等因素限制，其他蘇力菌毒蛋白以外的轉殖 作物，目前尚未有商業化栽植的品種生產，但是這些藉由轉殖技術而 表現不同抗蟲機制的作物，在研究人員孳孳努力下，技術與成果日新 月異，未來的發展仍深具潛力。除化學抗蟲物質，根據傳統育種的理 念，篩選具物理抗蟲機制的植物基因，發展基因轉植技術，改造作物.
(6) 100 作物蟲害之非農藥防治技術. 使其增加葉面葉毛密度讓害蟲無法棲息於植物上，或者增加葉毛的高 度，致害蟲的口器無法刺吸危害植物，甚至對一些具傳播病毒的媒介 昆蟲如粉蝨或薊馬，可以達到阻斷其傳播植物病毒的途徑，未嘗不是 開發抗蟲基因轉殖植物的另一方向。 基因轉殖作物固然帶給人類農業耕作上的便利，但也可能對生態 環境產生負面影響，例如抗殺草劑作物的種植，若導致某種類型殺草 劑過量使用，可能減少某些野生植物的種類，如這種改變使某些昆蟲 棲所與食物減少，將使這些昆蟲族群面臨生存壓力或是面臨滅絕的威 脅。基於對於「改性活生物體」(Living modified organism，包括基因轉 殖生物)可能對地球上生物資源有不利影響，在聯合國生物多樣性公約 組織主導下，全體締約國於 2000 年決議通過「卡塔赫納生物安全議定 書」 ，表明關切現代生物技術的迅速拓展，可能對生物多樣性產生不利 的影響，約定於發展生物技術的同時，對改性活生物體的轉移、處理 與使用，應採取妥善的安全措施，以確保人類健康與生物多樣性之安 全。此議定書的通過，更加強國際間於風險評估時對生物多樣性影響 之重視。我國在 2005 年六月公佈的「基因轉殖植物隔離田間試驗管理 辦法」中，亦有關於環境安全評估的規定，對於提出評估申請、評估 的程序與方法等，有原則性之規範。而基因轉殖植物即使通過評估而 釋出種植，其對於環境生態系之長期影響，仍需要做持續的追蹤監控， 一旦發現有不利於環境生態的情形，立即採取管制或禁止之措施，才 可能使基因轉殖植物對環境產生破壞之風險降至最低。希望能在獲取 現代科技所衍生利益的同時，盡量避免對環境生態造成任何負面影 響，基因轉殖作物方可永續之經營。. 參考文獻 王清玲、林鳳琪、林俊義。2004。抗蟲基因轉殖植物之類別與其對環境中昆蟲類之影 響。植保會刊：46: 181-209。 林志輝、黃文忠、曾經洲、陳良築。2002。含蘇力菌毒素基因 cry1Aa1 之轉形葉表生 菌 Erwinia herbicola 的殺蟲活性與質體留存之分析 植保會刊 44：21-36。 陳韋如、李國欽、高穗生、曾耀銘、曾經洲。 2006。台灣蘇力菌 cry 1A c5 殺蟲 基 因選殖及表現 植保會刊 48：17- 30。.
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