各校計畫成果

活動簡介

聯合國的預測顯示到2050年全球人口會超過90億。為了提供足夠且營養的食物，必須增加主要糧食的產量及提高微量營養素。玉米、小麥、水稻、木薯以及馬鈴薯等主要作物富含澱粉，提供全球消耗的碳水化合物卡路里中85%以上。以這些主要作物作為主食可獲得足夠的卡路里，卻經常發生營養不良的情況，因為這些作物的種子、塊莖及根部所含有的維生素與礦物質(例如鐵)含量，不足以提供健康的飲食。例如，全球有16億人患有缺鐵性貧血，導致生產力下降。利用傳統的育種方式，難以使作物含有更高的微量營養素及澱粉，以提供足夠的營養，尤其在水稻以及無性繁殖的木薯上。

水稻鐵鋅生物強化策略是促進根吸收效率、植物內的運送以及在胚乳中的儲存以增加稻米的胚乳(精米)中鐵與鋅的含量。IRON REGULATE TRANSPORTER 1 (IRT1) 與NICOTIANAMINE SYNTHASE (NAS) 對鐵的吸收與運送扮演著重要的腳色。FERRIC REDUCTASE DEFECTIVE 3 (FRD3) 與NATURAL RESISTANCE ASSOCIATED MACROPHAGE PROTEIN 3 (NRAMP3) 幫助鐵的長距離輸送。FERRITIN (FER)為鐵貯藏蛋白，可以儲存高達3500的鐵，特別將FER表現於胚乳來有效的貯藏鐵於食用的區域。此外，參與β-胡蘿蔔素(維生素A的重要前驅物)生合成的基因CAROTENE DESATURASE (CRTI)與PHYTOENE SYNTHASE (PSY)，以開發出含有高鐵、鋅與β-胡蘿蔔素的含量的水稻。在2019年與2020年，格魯伊森姆教授與其研究團隊藉由測量其表現型與分生實驗，測試在田間環境下生長的生物強化水稻的農藝性狀。在鐵鋅生物強化稻米胚乳中鐵與鋅的含量皆顯著上升。鐵含量高達13.9 μg/g DW，比野生型(3.3 μg/g DW)高約4.2倍，鋅含量高達50 μg/g DW，比野生型(31.1 μg/g DW)高約4.2倍。鐵與鋅累積在精米中的含量是相關的，因為鐵與鋅是由相同的離子轉運蛋白從土壤中吸收，並藉由螯合劑在植物體內運送。結果顯示生物強化水稻在田間可以保持高鐵與鋅含量，顯示此性狀可在田間穩定表現。

木薯(Manihot esculenta Crantz)是熱帶與亞熱帶國家的重要作物。如今臺灣年產量只有11,000頓，主要用於製作珍珠奶茶的珍珠。在全球其他地區，尤其是撒哈拉以南非洲，木薯是幾億人的重要糧食作物。相較於其他糧食作物，像是玉米及小麥，木薯直到近幾年才受到科學界的關注。木薯供源積儲 (Cassava Source-Sink, CASS) 計畫致力於藉由改善葉片光合作用效率、加強醣類的運送能力，以及促進醣類在貯藏根轉換成澱粉，增加木薯的貯藏根與澱粉的產量。為了同時改善葉子光合作用、韌皮部運送能力、貯藏根的發育以及澱粉生合成，團隊致力於運用設計多基因載體，以改良木薯的新陳代謝與生理。為了驗證其概念，格魯伊森姆教授的研究團隊正在國立中興大學農業試驗場進行密閉田間試驗中，評估基因轉殖木薯的農藝性狀，該試驗場位於適合木薯生長的亞熱帶氣候，並且沒有木薯相關疾病歷史。在田間環境下生長8個月後，野生型木薯60444品種與基因轉殖木薯可以長到3.5公尺高，並具有10 kg的根。在 2019年的田間試驗，測試了89個獨立的基因轉殖木薯品系，從中選擇農藝學性能表現最佳的品系，將於2020年在奈及利亞國際熱帶農業研究所進行後續的田間試驗。結合田間試驗所得的數據與實驗室的生化和分生實驗數據，以及新陳代謝模型的預測，進一步了解並完善基因工程的策略。目前新的基因轉殖木薯正在進行田間試驗。