永續綠色生物科技大未來

蕭介夫

中央研究院農業生物科技研究中心 特聘研究員

義守大學 校長、教授

「美麗新世界」─1932年的預言小說，預言有一天人類將扮演上帝「重塑自然」，甚至「改造生命」的角色

「桃莉羊」的複製、人類基因圖譜的解碼完成，書中預言科技的進步，可以創造設計出的「生」解決「老」、「病」、「死」的問題?

2

1996世界第一大科技突破： 「 複製 」羊--「桃 麗」

• 英國羅斯林研究所（Roslin Institute）在一九九六年向媒體公布，完成了全球第一隻桃麗羊（Dolly the Sheep）生命科學在近十年來進步非常神速，人類不僅能改造生物體的遺傳基因，塑造新生命，還能利用遺傳工程生產許多造福人類的產品，而體細胞的複製只是生物技術一種新技術而已，造就了世界上第一隻複製羊-----桃麗誕生了!這意味著人的複製將不再只是科幻小說中的情節，而是有可能實現的未來 。

3

• 技術將如試管嬰兒一樣，很快地降臨我們身邊，而且很可能會如這些作者所預料的，成為大家習以為常的事情。但是在那一天到來之前，我們需要經過多少辯論爭執，多少風浪事件呢？在這演變的過程中最怕的是我們對主題缺乏正確的了解以致無法理性地面對它，處理它？假如人類本來就是以無性生殖的話、而且人類沒有社會道德及法律制度的話，「複製人」也就無所爭議，可是事實上，我們人類向來以男女交配生育兒女，而且我們的社會也是建立於以異性婚姻所組成的家庭單位上（同性婚姻仍未被接受），很多道德、法律也是依賴家庭的觀念，所以我們可以想見人類的無性生殖一旦來臨，會帶來多麼巨大的社會衝擊。

4

「 複製 」人?

WHAT IS BIOTECHNOLOGY?

Definition by The United Nations Convention:

Any technological application that uses biological systems, living organisms, or

derivatives thereof, to make or modify products or processes for specific use.

5

HISTORY

• Brewing Beer

6

THE HISTORY OF NEW BIOTECHNOLOGY

7

1910 Twenty-eight years after Fleming obsevred chromosome within a cell's

nucleus, biologist Thomas Hunt Mrogan's experiments with fruit flies

reveal that some genetically determined traits are sex linked. In addition

his work verifies that the genes reside on chromosomes.

1944 Oswald Avery, Colin Macleod and Maclyn McCarty demonstrate that

DNA, not protein, is the hereditary material in most living organisms.

This was accomplished based upon their work with the pneumococcus.

1953 James D. Watson and Francis Crick publish their paper on the very

nature and structure of DNA. They concluded the paper with the medical

understatement of the century, "this structure (DNA) has novel features,

which are of considerable biological interest."

THE HISTORY OF NEW BIOTECHNOLOGY

1988 First field test of a potential commercial product - Calgene plants

Tobacco

Mosaic Virus-resistant tomatoes

October 1, USDA’s establishes Biotechnology, Biologics and

Environmental Protection (BBEP) to regulate biotechnology and other

environmental Programs

1995 EPA registers first pest protected plant—Monsanto’s New Leaf potato

2002 August, The U.S. Department of Agriculture creates a new unit within

the Animal and Plant Health Inspection Service called Biotechnology

Regulatory Services (BRS) to focus on USDA's key role in regulating

and

facilitating biotechnology.

February, The National Academy of Sciences provides recommendations

in its February 2002 report "Environmental Effects of Transgenic Plants:

The Scope and Adequacy of Regulation."

8

生物科技的應用

1. Blue biotechnology –marine and aquatic applications

2. Green biotechnology- agricultural applications

3. Red biotechnology – medical applications

4. White biotechnology-industrial applications

9

GENE THERAPY

10

TRANSGENIC PLANTS

11

GENETIC WEAPON-MICROORGANISM

12

炭疽桿菌 大腸桿菌

圖:wiki

插入眼鏡蛇毒液基因的流感病毒和含有炭疽病毒的大腸桿菌作為基因武器。

GREEN BIOTECHNOLOGY-TRANSGENIC PLANTS

• 在2008年7月的北海道日本的G8 成員會議第一次認為生物技術作物能在食品安全裡扮演重要的角色的意義。G8對生物技術作物的說明如下:” 加速研究與開發並且增加新農業技術提升農業生產； 我們將促進以科學為基礎的風險分析，包括透過生物技術開發的種子種類多變性。”

• 歐盟委員會European Commission發表聲明，基因改良作物將在減緩糧食危機的衝擊上扮演重要的角色。

• 因為生物技術作物可提供更多的有營養的食品，減少過敏的機率並可提升生產系統的效率，世界衛生組織(WHO)特別強調生物技術作物的重要性。

13

全球重要政治組織支持基因轉殖作物

全球基因作物發展趨勢

14

全球趨勢

ISAAA（國際農業生物技術應用服務組織）主席兼創建者Clive James 表示: • 15 年的商業化，2010 年轉基因作物累計種植面積已逾 10 億公頃

• 1996 年至 2010 年間，轉基因作物前所未有地增長了 87 倍，是現代農業曆史上采用速度最快的作物技術。

• 2009 年至 2010 年間，轉基因作物種植面積增加了 1,400 萬公頃，即增長了10%

15

16

轉基因作用分布

• 2010 年全球的轉基因作物種植面積增加到 1.48 億公頃，按公頃數排名，這些國家依次是：

1. 美國（6,680萬）

2. 巴西（2,540 萬）

3. 阿根廷（2,290 萬）

4. 印度（940 萬）

5. 加拿大（880 萬）

6. 中國（350 萬）

7. 巴拉圭（260 萬）

8. 巴基斯坦（240 萬）

9. 南非（220 萬）

10.烏拉圭（110 萬）

17

Plant and Microbial Biology 10 - Fall 2002 Plants, Agriculture, and Society Lecturer: Gregory Graff Lecture 17- Agricultural Genetic Engineering: Areas of Application

Genetically engineered plants are currently being worked

on in at least six major areas:

1. Improving Pest and Weed Management

2. Improving Agronomic qualities

3. Improving Post Harvest Qualities

4. Improving Nutritional Quality

5. Molecular Farming

6. Technologies for Environmental Improvement

18

1. Improving Pest and Weed Management

a. Herbicide tolerance

Transgene is for an enzyme that enables the plant to block the

herbicide chemical.

b. Insect resistance

Example, the Bt protein derived from a soil bacterium,

Bacillus thuringiensis, is highly targeted just to damage the gut

of Lepidopteran insects (butterflies and moths). Bt is used in

corn to control for the European Corn Borer and Corn

Rootworm, pests that cost billions of dollars in damage to the

corn crop worldwide each year.

c. Disease resistance

Viral Coat Protein Technology –

Transferring the gene for a viral coat protein,

a part of the outer shell of a virus that

does not cause disease, into a plant

acts like a vaccine for the plant.

http://are.berkeley.edu/courses/PMB10/Lecture-17.htm

19

http://are.berkeley.edu/courses/PMB10/Lecture-17.htm

2. Improving Agronomic qualities

a. Improving cold sensitivity: Creating frost tolerant,

cold hearty varieties Transgenes that create more unsaturated fatty acids

for the plant's cellular membranes.

b. Improving water stress, drought tolerance Transgenes for enzymes that increase the level of

polyols (sugar derivatives) commonly found in frost

tolerant plants.

c. Improving salt tolerance Transgenes added that code for proteins that move salt

into the vacuole of the plant cell.

d. Improving production of hybrids Transgenes can be added to corn that shut off the

development of pollen or make it sterile, so that the

parent lines used in making hybrids do not need to be

detasseled. (Recall the methods of hybridization from

Lecture 9.)

20

3. Improving Post Harvest Qualities

a. Delayed fruit senescence

Fruit ripening or "senescence" of the fruit is triggered by the plant hormone ethylene. The timing of ripening is problematic in many fruits and vegetables (tomatoes, for example) and they need to be picked green in order to make it to the store without getting mushed. Delaying the onset of ethylene production gives the fruit more time to develop sugars and flavors before going soft.

b. Delay of flower senescence

The hormone ethylene is also involved in the senescence (wilting and browning) of flowers. Similar strategies can help cut flowers to stay fresh longer.

http://are.berkeley.edu/courses/PMB10/Lecture-17.htm

21

4. Improving Nutritional Quality a. Improving the profile or the level of amino acids and proteins

Examples: High methionine and high lysine animal feeds, low phosphorus animal feeds

b. Improving the level of micronutrients Example: high vitamin A rice, Insert two transgenes for carotenoid synthesis enzymes that make beta carotene the precursor to Vitamin A. One of the transgenes also codes for a transit peptide, which moves the beta carotene into storage in the endosperm of the rice grain.

http://are.berkeley.edu/courses/PMB10/Lecture-17.htm

22

5. Molecular Farming a. biodegradable plastics

Examples: In 1992, scientists isolated the genes necessary for plastic production, transferred them into Arabidopsis, and produced the first plant-derived plastic, polyhydroxyalkanoate (PHA). The technology was further adapted in corn so that the product would be expressed only in the leaves and stalk, leaving the ears free for food or feed.

b. pharmaceuticals Examples: I. alkaloids and glycosides

ii. monoclonal antibodies

iii. edible vaccines

http://are.berkeley.edu/courses/PMB10/Lecture-17.htm

23

6. Technologies for Environmental

Improvement a. Engineering plants to absorb and sequester heavy metals

and other toxins to decontaminate soils. Plants have various strategies for increasing their uptake of minerals

from deficient soils. One involves the ability to secrete organic acids,

such as citrate, to increase the solubility of the metal. Another is the

release of amino acids that bind to the soluble iron from deficient

soils. Overproduction of these compounds may increase mineral

uptake.

Plant transporter proteins are also involved in moving minerals from

the soil to the root, and several genes have been identified that

encode for these substances.

Through genetic modifications, researchers are attempting to

optimize plants’ abilities to sequester contaminants. For example,

plant materials will bind the metals cadmium and zinc, which are

stored in the vacuoles. Iron, on the other hand, is stored as the

protein ferritin.

b. Engineering plants to absorb and sequester salts, to

control soil salinity.

http://are.berkeley.edu/courses/PMB10/Lecture-17.htm

24

台灣轉基因作物之研發現況

25

• 研發成果：

1.轉基因作物為生物反應器

2.抗病蟲害基因作物

3.改變作物性狀(延長採收後貯存期，改變花色、 開花期等)

• 熱帶、亞熱帶的花卉、果樹、蔬菜的轉基因作物研究可領先全球。

以基因轉殖植物做為生物反應器

26

轉基因的稻米是一種節省成本的生物反應器，可以生產像蛋白質，碳水化合物，類脂和植物第二代謝物提供研究使用，亦可生產食用的疫苗，動物飼料，工業酵和醫藥製品等。它讓優勢包括︰

• 低生產成本

• 轉基因穀類適合進行長距離運送與長時間貯存

• 轉基因穀類可以直接應用無需進一步純化

27

Rice

Rice flour

Milling

+Water

Liquefaction by

Centrifuge

Supernatant

amylase & debranching

p.p.t.

Drying

High-protein rice flour High-maltose rice syrup

Trehalose Synthase

Trehalose

從穀類作物生產麥芽糖(或海藻糖)與高蛋白質穀粉

28

29

大量表現澱粉枝解酶APU轉基因水稻之質體構築

30

Amy8 sp apu Amy8 3'

GluB-1 sp apu Nos pro

Restriction maps of plasmids containing the -amylase promoter, signal peptide sequence and GluB-1 promoter, signal peptide sequence, propeptide sequence, and apu cDNA

Amy foreign gene

sp

sp

GluB-1 foreign gene

sp

sp

成熟之轉基因水稻種子可表現大量的澱粉之解酶 APU

31

0

10

20

30

40

50

60

NT

3-7

-2

T8

-1-1

-10

G11

-6

Gp

1-9

Gp

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-3

Am

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of

AP

U (

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g t

ota

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rote

ins

)

embryo

endosperm

Line

Construct Amy3 Amy8 GluB GluB-sp GluB-sp-pro

發芽之轉基因水稻種子可表現大量的澱粉之解酶 APU

32

0

10

20

30

40

50

60

70

80

NT

3-7

-2

3-2

-2

3-1

6-6

T8-1

-1-1

0

T8-2

-3-4

T8-2

-5-9

8-1

7-7

8-1

5-6

8-4

-6

8-6

-2

G11-6

G3-6

G6-4

G9-1

1

G8-8

G7-7

G16-1

0

Gp

1-9

Gp

8-6

Gp

6-6

Gp

3-1

Gp

p6

-3

Gp

p3

-5

Gp

p2-3

Gp

p1

-4

Gp

p15

-2

Am

ou

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of

AP

U (

g

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g t

ota

l p

rote

in )

Line

Construct Amy3 Amy8 GluB GluB-sp GluB-sp-pro

加熱後成熟的轉基因水稻種子可產生更大量的溶解性糖類

33

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 2 4 8 12 24

Su

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on

( m

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g f

res

h w

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ht

)

NT

AGpp6-3

Heating time ( h )

Starch ( % ) 67.9 13.6 8.4 0 0 0

Sugars( % ) 0.65 56.4 61.6 70 70 70

( 1 ) 1% slurry in Good’s buffer,

pH5, containing 5mM CaCl2

( 3 ) Starch is completely

converted to soluble sugar

( 2 ) Heating at 70 oC

快速生產甜味料及高蛋白食品之生物技術新品種稻米

34

將澱粉普魯南糖酵素( amylopullulanase)基因接在可

專一在水稻種子表現的啟動子後，利用農桿菌轉殖

系統送進台農67號水稻基因組內，得到基因轉殖水

稻，我們稱它們為“甜甜米”。甜甜米在高溫(約

105oC)下加熱，最快約4小時即可將種子內的澱粉分

完全分解成糖，糖可用來釀酒或製作食品，而剩下

的產物即為蛋白質，可利用來做高蛋白食品。

甜甜米可進一步用來做米果、米酒、米醋…

等各式食品

轉殖成功之甜甜米比較偏糯性，且有心白現象

台農67號 甜甜米 中研院植物所 蕭介夫研究員、江志明

中研院分生所 余淑美研究員 提供

35

基 因 轉 殖 甜 甜 米

木瓜熟成基因之選殖與應用

36

Tester cDNA Driver cDNA

Subtractive Hybridization

CPMRG cDNAs

Subcloning into pGEM-Teasy

Papaya CPMRG clones identification

Functional prediction

Expression analysis

90 105 120 135 150 153 156 160 DAF

1500 papaya subtractive hybridization clones

904 readable sequences

473 CPMRGs 207 putative functional genes

266 unknown genes

49 genes similar to Arabidopsis unknown proteins

4 genes similar to Zea may unknown proteins

213 genes not similar to the genes deposited

37

PAPAYA FRUIT MATURATION AND RIPENING

ASSOCIATED GENES

38

Cy5: 153 DAF

Cy3: 105 DAF

402 ESTs from

subtractive

hybridization

ETHYLENE(乙烯) BIOSYNTHESIS PATHWAY

39

Yang and Hoffman, 1984, Ann. Rev. Plant Physiol. 35, 155-189.

利用基因轉殖技術抑制木瓜乙烯生合成

40

選殖控制木瓜熟變基因

利用基因轉殖技術保鮮

利用基因轉殖木瓜抑制乙烯生成，延長木瓜保鮮時間

以Agrobacteria LBA4404為媒介進行木瓜未成熟體胚轉型

轉殖株的再生與鑑定

NOS-P NPTII NOS-T 35S-P ACO1 GUS

NOS-T

RB

LB

RB LB

NOS-P NPTII NOS-T 35S-P ACO1 GUS

NOS-T

H177F

Sense ACO1 in pBI121

Anti-Sense ACO1 in pBI121

構築轉殖用同義及反義ACC oxidase之二元載體及木瓜轉殖

Collaboration with Dr. SD Yeh and Dr. JS Yang

利用基因轉殖大量表達 CP-AFP3使甜瓜對立枯病菌RHIZOCTONIA SOLANI產生抗性

41

RB

Mature Cp-AFP3 in pBI121

Agrobacteria LBA4404 mediated

transformation

Regeneration of the transgenic

lines and functional analysis

Rhizoctonia solani抗性測試

A. 轉基因甜瓜; B. 控制組

TUBBY , A NEW OBESITY GENE

Cell (1996) 85, 281-290.

Nature (1996) 380, 534-538.

The TUBBY gene was identified from tubby mouse

42

ATTLP11-1 突變造成植株變大

43

AtTLP3促進阿拉伯芥提早開花

大量表達AtTLP3之轉基因植物(AtTLP3-7A)開花時間較野生株提早，將此基因剔除(attlp3-2)則延後其開花時間。

44

民生報 肥胖基因 植物也有喔！ 93-06-13

45

記者(鍾蓮芳／報導)

動物有肥胖基因，植物也有喔！中研院植物所研究員蕭介夫研究發現植物的肥胖基因，可藉以控制植物的育成或改變植物的型態，預期將可大幅提升農作物、觀賞植物的經濟效益。目前國際植物學界仍未有相關技術及研究發表， 蕭介夫昨天發表這項發現不只獨步全球，也是首見的技術。

蕭介夫參與國際水稻基因圖譜的解碼、水稻研究及植物老化研究等重大工程，為國內重量級學者；他在進行木瓜老化研究時發現，其中一個與老化有關的基因，可能也與肥胖有關。蕭介夫靈光一閃：「動物的肥胖基因對動物有重大的影響，為什麼不研究植物的肥胖基因？」蕭介夫研究室的博士後研究生賴嘉萍指出，動物的肥胖基因除了和胖、瘦有關，也與動物對光和聽覺的感、受密切相關，同時還是動物後天許多疾病的重要因子；而植物的呢？這是觸動他們想一窺究竟的動機。於是，該研究室開始以植物研究的「白老鼠」──模式株阿拉伯芥進行研究，結果找出了植物的「肥胖基因家族」。

ETHYLENE SIGNAL TRANSDUCTION

PATHWAY

46 Bleecker 2000 Annu Rev Cell Dev Biol 16, 1-18.

Extended flower longevity of Petunia hybrida plants

transformed with boers, a mutated ERS gene of Brassica

oleracea

LB NOS-T HPH CaMV35S NOS-T boers CaMV35S RB

boers: an ethylene receptor sensor gene (I62F) of Brassica oleracea

Shaw, et al., Molecular Breeding 9:211-216 (2002 47

48 Shaw, et al., Molecular Breeding 9:211-216 (2002

Ethylene insensitive and post-harvest yellowing retardation in mutant ethylene response sensor (boers) gene transformed broccoli (Brassica olercea var. italica)

LB NOS-T HPH CaMV35S NOS-T boers CaMV35S RB

Day 0 Day 3 Day 0 Day 3

為確保國內基因轉殖(GM)作物的生態安全，執行GM作物的遺傳特性調查與生物安全評估等試驗研究工作與標準作業技術平台的建置。

行政院農業委員會

農業試驗所隔離設施

行政院農業委員會農業試驗所 Agricultural Research Institute, COA 49

50

生物安全評估試驗 (1)轉殖phytase水稻安全評估

51

(4)單抗及雙抗病毒性狀轉殖基因木瓜

由國立中興大學葉錫東副校長

將PRSV及PLDMV部分CP基因共同構築為複合基因，將此基因轉殖於泰國品種木瓜中，育成含有複合鞘蛋白基因之轉殖基因木瓜

行政院農業委員會農業試驗所 Agricultural Research Institute, COA

(2)抗病性狀轉殖基因海芋

52 行政院農業委員會農業試驗所 Agricultural Research Institute, COA

由中央研究院植物暨微生物學研究所馮騰永教授 將具有抗軟腐病性狀基因轉入海芋中

(3)由國立台灣大學園藝系黃鵬林教授 提供利用乙烯合成關鍵酵素ACC合成酶反義基因進行香蕉基因轉殖，調降關鍵酵素之活性，可抑制果實內乙烯之生成，達到延緩果實後熟、耐儲運、增長櫥架壽命的目的

53 行政院農業委員會農業試驗所 Agricultural Research Institute, COA

目前已獲得下列轉殖系：

● 細胞分裂素合成基因(ipt);

● 乙烯受体突變基因(boers);

● 反意股葉綠素分解酶基因 (Anti-CHL-1) ;

● 抗真菌性蛋白基因(AFP-3) ;

● 核酸靜默雙功能核酸分解酶基因(RNAi Pdk-bfn1)

及其他抗老化轉殖系.

Ipt 轉殖系黃化比較 Anti-CHL-1轉殖系黃化比較

中央研究院陳榮芳副所長及蕭介夫校長 經由功能性基因組體篩選、抗老化基因之選殖及轉基

因技術成功應用於青花菜採後黃化問題之改善

54

衛生署通過安全審查之「基因改造食品」一覽表 目前核准產品：單一品系 98年3月6日更新

國際統一編號 種類 品名 轉殖品系 申請者 核准日期

有效期限

1 MON-04032-6 黃豆 耐嘉磷塞基

因改造黃豆

40-3-2

（RRS）

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 91.07.22 101.07.22

2 MON-00810-6 玉米 抗蟲基因

改造玉米 MON810

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 91.10.15 101.10.15

3 MON-00603-6 玉米 耐嘉磷塞基

因改造玉米 NK603

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 92.04.11 102.04.11

4 SYN-BT011-1 玉米

抗蟲及耐固殺

草基因改造玉米

Bt11 台灣先正達

股份有限公司 93.06.02 102.06.02

5 SYN-EV176-9 玉米 抗蟲基因

改造玉米 Event176

台灣先正達

股份有限公司 93.06.02 102.06.02

6 ACS-ZM003-2 玉米 耐固殺草基

因改造玉米

T25

拜耳作物科學（原：台灣安萬特）股份有限公司

91.08.16 101.08.16

7 DAS-01507-1 玉米

抗蟲及耐固殺

草基因改造玉米

TC1507 台灣杜邦股

份有限公司 92.11.17 102.11.17

8 MON-00863-5 玉米 抗根蟲基

因改造玉米 MON863

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 92.10.16 102.10.16

55

9 DAS-59122-7 玉米

抗蟲及耐固殺

草基因改造玉米 59122

台灣杜邦股

份有限公司 94.12.21 99.12.21

10 MON-88017-3 玉米

抗根蟲及耐嘉磷

塞基因改造玉米

MON8

8017

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 95.03.20 100.03.20

11 REN-OOO38-3 玉米

離胺酸基

因改造玉米 LY038

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 95.11.20 100.11.20

12 ACS-GM005-3 黃豆

耐固殺草基

因改造黃豆

A2704-

12

拜耳作物科學

股份有限公司 96.05.01 101.05.01

13 SYN-IR604-5 玉米

抗蟲基因

改造玉米

MIR60

4

台灣先正達

股份有限公司 96.10.22 101.10.22

14 MON-89788-1 黃豆

第二代高產量耐嘉磷塞基因改造黃豆

MON8

9788

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 96.12.28 101.12.28

15 MON-0021-9 玉米

耐嘉磷塞基

因改造玉米 GA21

台灣先正達

股份有限公司 97.07.23 102.07.23

16 MON-89034-3 玉米

抗蟲基因

改造玉米

MON8

9034

孟山都遠東股份有

限公司台灣分公司 97.07.25 102.07.25

56

17 SYN-IR162-

4

玉米

抗蟲基因改造玉米

MIR16

2

台灣先正達

股份有限公司 98.4.20 103.4.20

18 DP-356043-

5

黃豆

耐嘉磷塞及耐乙醯乳酸合成酵素抑制除草劑基因改造黃豆

DP-

35604

3-5

台灣杜邦股

份有限公司 98.5.11 103.5.11

19 DP-305423-

1

黃豆

高油酸基因改造黃豆

DP-

30542

3-1

台灣杜邦股

份有限公司 99.7.23 104.7.23

20 SYN-E3272-

5

玉米

阿法澱粉酶基因改造玉米

Event

3272

台灣先正達

股份有限公司 99.7.26 104.7.26

21 ACS-

GM006-4

黃豆

耐固殺草基因改造黃豆

A5547

-127

台灣拜耳

股份有限公司 99.8.31 104.8.31

57

結論

58

• 基因科技是現代生命科學的主流，國家發展的關鍵科技之一，政府與社會應大力支持基因體與功能基因之基礎研究與應用。

• 基因改造作物對解決糧食與能源問題有潛在的極大助益，已獲得世界上許多重要政治組織(如G8、歐盟、WHO等)的支持，許多國家已大力支持基改作物之發展(例如中國將投入1仟2佰億)，已成現代化農業發展的關鍵科技。許多過度保守的政策將使農業發展喪失競爭力。

• 基改作物衍生的爭議應以科學的態度處理 。適當的規範與管理並與社會大眾充份溝通是必要的，但無科學根據的反對，將會阻礙國家的發展與人類福祉。

結論

永續生物能源(Biofuel)

59

原油在未來40至60年間將會耗盡，天然氣的儲藏量則應可供應80至100年。 能源危機同時也是食物短缺的危機，因為現代農業相當仰賴化學肥料，而製造化學肥料又需要大量的能源。 石油不僅儲量有限，它會對生態環境造成破壞。石油燃燒時向大氣層釋放二氧化碳，導致全球暖化。 能源問題與世界糧食問題、人口問題、環境問題、水資源虧乏等習習相關。

能源危機

60

地球暖化 格陵蘭冰湖戲劇性消失

61

地球溫度升高，預期將造成格陵蘭冰原之類的廣大冰凍地區的融水增加，形成面積廣大的湖泊。 根據最新公布的研究，全球暖化可能會增強最猛烈的熱帶氣旋的威力。 研究說，在醞釀氣旋的熱帶地區，海水溫度每上升一度，便可能導致最強烈風暴的數目增加近三分之一。 研究作者在這份刊登於英國「自然」期刊的報告中說：「隨著海水暖化，海洋擁有更多能量能轉變成熱帶氣旋的強風。」 過去學界曾根據過往三十年的觀察進行研究，結果發現由於海水暖化，颶風威力變得更強烈。 但是對大西洋地區的觀測數據比針對印度洋的氣旋及太平洋的颱風所作的觀測更詳盡，而且歷史更久遠。 為了填補空缺，三位美國科學家研究了自一九八一年至二零零六年所有風暴生成海域的衛星數據。 他們計算風暴數目，以及每次風暴期間的最大風速，並與海平面溫度相比對。 在這二十五年中，學者並未發現整體風暴數目增加。 但在最強烈的風暴，或是強度大約列為最高等級的風暴中，風速均大幅增加。 除了南太平洋，幾乎所有風暴生成海域都出現這樣的趨勢，也就是氣旋越猛烈，變化就越大。

研究：全球暖化海水升溫 強烈風暴 威力更猛

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出現這樣的狀況，很明顯是因為南太平洋已經是最溫暖的海域，因此相較於大西洋、印度洋與北太平洋，溫度增加幅度相對較低。 學者在強度較小的風暴中，並未發現風速增加。 由佛羅里達州立大學艾爾斯納領導的研究團隊進行的這項研究，支持所謂的「熱引擎理論」，這項理論的根據是在於一種概念：海水暖化能提供更多原始熱能燃料，驅動氣旋 報告中估算，海水每升溫攝氏一度，會導致每年的「強烈」氣旋數目從十三個增為十七個，增幅達三成一。 由頂尖科學家組成的聯合國「政府間氣候變遷問題小組」去年發布「第四評估報告」時說，從一九零六年至二零零五年間，全球海平面溫度上升了攝氏零點七四度，其中絕大多數上升是集中在最近幾十年。 該小組預測，到了二一零零年，暖化幅度將介於攝氏一點八度至四度之間。

納莉風災(2001)

桃芝風災(2001)

莫拉克風災(2009) 63

聯合國「政府間氣候變遷問題小組（IPCC）2007年4月6日第二項報告

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• 聯合國「政府間氣候變遷問題小組 (IPCC)」，在2007年4月6日布魯塞爾公布了今年第二項報告，嚴厲警告全球暖化效應比過去預測要嚴重的多。

• 根據燃燒石化燃料造成的溫室氣體排放量推算，2050年左右氣溫極可能升高2至3度，屆時歐洲阿爾卑斯山滑雪勝地有70%不再白雪皚皚。

• 氣溫升高攝氏2度，缺水人口將達20億，有20%到 30%物種瀕臨絕種，有更多人因為營養不良、疾病、熱浪、旱澇而死亡。

• 在最嚴重的情況下，全球人口將有五分之一受洪水影響，11億至32億人缺水，全球出現大規模物種滅絕。

世界能源使用現況

石油 34.3%

天然氣 20.9%

煤 25.1%

核能6.5% 非再生廢棄物0.2%

再生能源13.1%

水力2.2%

生質能

10.4%

其他再生能源 0.5%

生質能是全球第四大能源，近次於石油、煤及天然氣，此外也是最廣泛使用之再生能源，約佔世界再生能源應用之80%

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生質能源的定義

生質能(biomass energy/ bioenergy)

泛指由生物產生之有機能源物質包括

沼氣、稻殼及廢油等農業、工業、都

市廢棄物以及能源作物，經過焚化、

氣化、裂解、發酵等技術轉換成燃油、

燃氣與電力等可用能源，其二氧化碳

的淨排放量為零，所以生質能源除了

做為替代能源外，更可減緩溫室氣體

所帶來之危機，兼具能源與環保雙重

貢獻。

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生質能對環保的貢獻

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生質能是植物利用太陽能與二氧化碳進行光合作用促進植物生長，再做為燃料，因此屬於再生能源，且沒有淨二氧化碳的排放，可以減緩溫室氣體對環境的影響。

資料來源：工研院

光合作用固定CO2為生質物

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資料來源：Principles of Biochemistry

光合作用的原理

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資料來源：Principles of Biochemistry

生質柴油的原理

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生質柴油是將動、植物的油脂，經由觸媒/酵素進行轉酯化反應、中和、水洗及蒸餾等過程所產生的脂肪酸酯類。

油脂 (油菜籽油、大豆油、棕梠油、食用廢油)

醇類 (甲醇、乙醇、異丙醇)

固定化脂肪酶 連續式生物反應器

生質柴油

甘油

3ROH +

H2C-OCOR’

HC-OCOR’’

H2C-OCOR’’’

H2C-OH

HC-OH

H2C-OH

生質柴油 甘油 醇類 油脂

適用於生產生質柴油的油品組成

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杏核仁油 月桂葉油 玻璃苣油 椰子油 玉米油 棉花子油 海甘藍油 落花生油 榛果油 麻瘋樹

水黃皮籽油 亞麻子油 橄欖油 棕櫚油 花生油 罌粟籽油 葡萄籽油 米糠油 葵花籽油 芝麻油 大豆油 葵花油 烏桕 核桃仁油 小麥油

生質柴油的應用

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生質柴油(biodiesel)的優點

可被生物分解之再生能源

可種植之再生能源

最適合引擎之環保燃料

燃點高/儲存安全性高

可直接替代或混合一般柴油使用

其含氧成分可助燃料完全燃燒，

有害廢棄之污染排放低

具經濟上正面效應

無毒性

UNITED STATES PATEN

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【聯合報╱記者喻文玟╱台中報導】2008.02.27 中興大學校長蕭介夫研發出新的酵素「基因重組脂肪」，新的酵素能取代傳統提煉生質柴油的化學酵素，達到二氧化碳零排放的效益。這項技術去年申請獲得世界專利，校方昨天和產業界簽約技術轉移，能提高生質柴油生產的環保效益。「生質柴油」是利用黃豆油、大豆這類沒有加工處理的動、植物脂肪，經過化學提煉，產生環保的生質燃料。今年7月1日起，經濟部將推動加油站要供應「B1柴油」，在石化柴油中必須添加1%的生質柴油。 蕭介夫指出，目前提煉生質柴油多用化學方法，在油脂、醇類中加入氫氧化納，經過化學反應才轉換成能源。提煉過程中，會排放二氧化碳，他利用蛋白質基因工程技術開發「基因重組脂肪」，當作化學反應的催化劑，能減少高溫、高壓的污染，也達到二氧化碳零排放。 蕭介夫是國內的酵素專家，他花了近十年和研究團隊研發「基因重組脂肪」，投稿近50篇國際期刊獲肯定，去年獲世界專利。 中興大學昨天和國內最大的生質柴油廠「世界生物能源公司」產學合作，要在彰化、嘉義一帶，推動白油桐種植，提煉生質柴油，並計畫在彰濱工業區打造一座年產量10萬噸的生質柴油廠。 世界生物能源公司董事長張榮興分析，目前生質柴油價格仍偏高，平均1公噸比石油貴300美金，但它是環保能源，閃火點低，不易燃燒，安全性高。 生質柴油最受肯定的環保特性，它不像石化燃料會排放二氧化碳，即使意外傾倒，28天內可以被自然分解，完全淨化。

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生質酒精的原理

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生質酒精植物的糖類、澱粉、纖維素、木質素等碳水化合物，，經由觸媒/酵素進行糖解化反應產生的單醣(葡萄糖為主)再發酵成酒精。

玉米、甘藷、小麥

甘蔗、甜菜、糖蜜

澱粉

糖

液化/糖化

發酵

(10%酒精)

蒸餾

(96%酒精)

脫水 無水酒精 (100%酒精)

稻桿、蔗渣、農業廢棄物

纖維素/木質素

纖維素生質物之成分

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纖維素生質物

半纖維素(30%) Hemicellulose

纖維素(44%) Cellulose

木質素(26%) Lignin

酵 素 法 分 解 Hemicellulase Cellulase Lignin peroxidase

Laccase

醋酸 Acetic acid

木糖 Xylose

阿拉伯糖 Arabinose

葡萄糖 Glucose

酚類化合物 Phynolic compounds

常見生質物之纖維素組成分析

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纖維素生質原料 纖維素 半纖維素 木質素

硬木 40-50 24-40 18-25

軟木 45-50 25-35 25-35

白楊樹 49.9 20.4 18.1

柳枝稷 31 24.4 17.6

芒草 34 28 19

玉米穗軸 45 35 15

玉米桿及廢棄物 36.4 22.6 16.6

甘蔗渣 37 29 19

稻桿 34.2 24.5 23.4

小麥桿 38.2 24.7 23.4

如何利用生物技術創造最優質生質物?

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1.如何降低木質素含量? 利用基因工程技術(基因靜默或反義基因)減少/阻斷木質素的生合成

如何利用生物技術創造最優質生質物?

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2.如何提升生質物之產量? 利用基因工程技術增加澱粉、纖維素的產率 延緩開花時間以增加生質物產率

3.增加其抗病害、抗旱等能力

利用基因轉殖技術導入抗病害、抗旱或抵抗

惡劣生存環境的相關基因，例如：抗黴菌蛋

白、幾丁質酶、海藻糖合成酶等，增加生質

物的單位面積產率，並可減緩一些化學農藥

或肥料的施放所造成的環境污染

如何利用生物技術創造最優質生質物?

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4.如何增加糖類、澱粉纖維素的

含量

首先應先了解糖類、澱粉纖維素

的生合成途徑與催化酵素，並利

用基因轉殖技術增加其產量。例

如：在轉基因阿拉伯芥植物中抑

制醣解相關基因表達，或提升醣

生成相關基因表達可以提高蔗糖

的生合成量。

如何利用生物技術創造最優質生質物?

5.如何加油的含量與品質

首先應先了解油脂的生合成途徑與催化酵素

資料來源：Principles of Biochemistry

脂肪酸合成酶的結構 Acetyl-CoA caboxylase催化機制

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台灣發展藻類為最佳生質物之理由

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• 台灣四面環海適合大規模的海藻養殖 • 以海藻為生質物不需耗費土地，不與人爭地 • 不與人爭糧，不會引發糧價的飆漲 • 以微藻可以工業化密集生產不必大量土地 • 藻類可累積油脂高達乾重的60% ，這些油脂能夠藉由觸酶轉化成生化柴油

• 可以利用豬糞尿為氮源及工廠CO2為碳源達到減廢減碳並產能

• 藻類完全利用：分餾多元不飽和脂肪酸可生產機能性食品、殘留之纖維素可用以生產生質酒精

84 Biotechnology Advances 25 (2007) 294–306

Biotechnology Advances 25 (2007) 294–306 85

Biotechnology Advances 25 (2007) 294–306 86

87 httpwww.inhabitat.com20071022power-your-car-with-algae-algae-biocrude-by-livefuels

88 http://northbynwa.com/2008/04/24/the-power-of-pond-scum-biodiesel-and-hydrogen-from-algae/

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CHLORELLA SOROKINIANA T-89

台灣嘉義地區水田分離出來的一種單細胞綠藻生長快速,易於大量繁殖及可在38度以上生長且含小球藻生長因子,及高度不飽和脂肪酸及醣蛋白等特性。

Freshwater algae (淡水藻)。

培養於TES-BG11,PH6.8之培養基。

容易培養,生長迅速,單位面積的產量遠高於其它植株,以及能有效利用有機碳源與尿素的優點,顯示這類藻株具有開發為生產藻株之潛力.

油脂含量達40%亟適合開發為生質柴油之生質物。

90

min

GENETIC IMPROVE OIL PRODUCTION OF CHLORELLA

SOROKINIANA T-89 BY AGROBACTERIUM-MEDIATED

TRANSFORMATION

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Mix with shaking 2days in 30 ℃

Selective medium

With hygromycin

and Carbancilin

Plating the pellet and culture the T-89 for 10~11 days in 30 ℃

The overnight culture of Agrobacterium tumefaciens

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 +

Genomic DNA PCR

ILLUMINA GAII 小球藻 基因體定序初步分析

Contig No.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

<200 200-

1000

1000-

5000

6000-

10000

>10000

Contig No.

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• Total Contig Length :total length of all the contigs added together

• Contigs :number of contigs contained in a genome assembly

• Contig N50 :length of the contig containing the middle base of the genome

Total Read : 90,837,512 read Read Length : 36 x 36 Paired-end, insert 200 bp De Novo Assembly using Velvet Predict Genome Size of Chlorella sorokiniana T-89: 70 Mbp Total Contig Length: 53,598,346 Contigs: 58,294 Contig N50: 1,763 Max Contig size: 15,525

93

永續生物能源人類發展永續

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• 化石能源日漸枯竭，亟需發展乾淨、安全、有自主性的永續能源。

生物能源之二氧化碳淨排放量為零，可減緩溫室氣體所造成的威脅

具乾淨、安全、有自主性的永續發展等特性。

• 利用生物技術發展出最佳生質物。 發展可快速生長、高生質物產率、抗環境壓力(耐旱、耐鹽、抗病蟲

害等)之優質生質物，使其在廢耕地種植，並發展以農業廢棄物為生質物，避免與民爭食。

• 跨領域結合:農業、生物、工程、行銷、法律等各方面人才，發展具經濟性之永續生質能源，以確保人類的永續發展。

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2005 2006

2007

2009

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2012/09/21

國際生物催化暨農業生物技術學會(ISBAB) 在義守大學成立 蕭介夫校長獲選為第一屆理事長

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更多新聞內容： http://www.sec.isu.edu.tw/isu_news/Show.asp?SN=1984

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蕭介夫校長部落格: http://shawjf.blogspot.tw/

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Q&A