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各校計畫成果

玉山學者_格魯伊森姆_強化國際重要糧食作水稻與木薯的營養價值與產量

玉山學者 發布單位:國立中興大學 點閱次數:590
核定年度:107年(2018)/研究成果年度:109年(2020) /學術領域:生命科學及農學/學者名稱:格魯伊森姆

活動簡介

格魯伊森姆教授任職於國立中興大學生物科技發展中心,將其所培育出之高維他命A和B6及高微量元素的水稻,至國立中興大學實驗農場種植及觀察農藝性狀與產量。國立中興大學之水稻研究團隊合作共同執行「高等教育深耕計畫第二部分(特色領域研究中心計畫)」。以本校已經具有的水稻誘變體庫及由中研院移轉至本校的「T-DNA 水稻突變種原庫」為研究基礎,結合本校與中研院共同設立的「國際水稻基因體研究中心」及本校「農業生物科技研究中心」與「NCHU-UCD 國際植物與食品生物科技中心」,共同建立「前瞻植物生技研究中心」。

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。最近格魯伊森姆教授與其他專家學者一同發表於自然通訊期刊上的觀點文章

Van Der Straeten et al. 2020, https://www2.nchu.edu.tw/en-news-detail/id/321/title/Plant_genetic_engineering_to_fight_hidden_hunger.

格魯伊森姆教授基於對擬南芥與其他植物的基礎研究的廣泛理解,運用基因技術與 CRISPR-Cas9 技術來增加水稻與木薯中微量營養素與維生素,改善木薯澱粉的品質,並且提高貯藏根的產量。

格魯伊森姆教授與其研究團隊開發出多種策略來增加稻米的胚乳(精米)中鐵與鋅的含量。稻米是消耗最多的主食之一,卻缺乏日常飲食所需的必要的微量營養素。格魯伊森姆教授的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。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。先前已被發表的可增加稻米胚乳中鐵鋅含量的品系,經過三次田間試驗。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。盡管在第一季的鐵含量的變化量較大,但在後續的兩季中並無此情況。累積在精米中的鐵與鋅的含量是相關的,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。鐵鋅生物強化水稻其他的農藝性狀例如開花時間、株高以及精米的長寬皆與野生型相似,此結果顯示利用基因工程增加稻米胚乳內鐵鋅達日常所需的量,並不會對植物生長造成不利影響。結合高鐵鋅性狀與合成與累積 β-胡蘿蔔素(維生素A 前驅物)成單一基因座,亦能穩定表現於田間環境下。

格魯伊森姆教授除與國內專家學者合作,亦積極推動國際學術研究合作交流。格魯伊森姆教授帶領國立中興大學研究團隊參與國際型研究計畫,與國外大學或研究單位共同合作。木薯供源積儲(Cassava Source-Sink, CASS)計畫,目標為開發高產量的木薯品種,將其提供給非洲小農,以改善撒哈拉以南非洲的糧食安全。其團隊成員分布全球,包含包含瑞士、德國、英國,以及奈及利亞。同時格魯伊森姆教蘇黎世聯邦理工學院與國立中興大學研究團隊共同合作改善木薯氮利用率計畫,以提高農作物的氮利用效率,減少化學肥料的施用。木薯(Manihot esculenta Crantz)又稱樹薯,是熱帶與亞熱帶國家的重要作物(FAOSTAT;http://www.fao.org/faostat/en/#search/Cassava%20and%20products)。直到 1970 年,臺灣有大量商業化木薯生產,作為食物或是萃取澱粉。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。木薯供源積儲計畫(Cassava Source-Sink, CASS)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。

從設計多基因載體,到收成基因轉殖木薯,並完成後續生化和分生實驗,大約需要三年時間。首先蘇黎世聯邦理工學院經由高效的轉化作用,將多基因載體轉化入農民偏愛的木薯60444 與TME7 品種,建立基因轉殖木薯。在經過篩選後,它們將準備用於農藝性能測試。從蘇黎世聯邦理工學院苗繁基因轉殖木薯幼苗繁殖開始,將木薯組織培養苗運到國立中興大學農業試驗場(依行政院農業委員會核發之基因轉殖植物輸入許可證輸入),在那裡將木薯組織培養轉移到土壤中,並在溫室中生長 8週。之後再於生長季(3 月至 11 月)將其種植於田間。使用智慧型植物空拍機,記錄植物的高度和樹冠層體積,並計算生長速率,提供木薯早期的生長發育速度資料。在生長季採集葉片樣本用於生化和分生實驗分析。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。結合田間試驗所收據到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。

(圖1)鐵鋅生物強化水稻之主要策略。鐵鋅生物強化水稻種植於國立中興大學北溝試驗農場之照片。

(圖2)CASS 策略之簡圖,運用設計多基因載體,以改良木薯的新陳代謝與生理。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。(格魯伊森姆教授與種植於木薯田中之木薯合照

 

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