你應該要知道的食事
在氣候變遷、環境污染加劇的現今，未來的糧食危機實已迫在眉睫，可直接改變農作物特定基因位置以顯現指定性狀、更快速精準育種的「新興精準育種技術」，正被世界各國關注，列為生物科技研究重點之一。
撰文＝食力企劃
近20年間，生物科技以超乎想像的速度在進步，2000年時阿拉伯芥成為第一個基因組被完整定序的植物，進而加速人們對植物調控與抗病機制的認識；2004年台灣參與的國際合作計畫「水稻全基因體定序分析」完成基因定序解讀定稿，水稻成為第一個全基因體定序的經濟作物，完整的序列資訊讓人類有機會精準控制水稻的高度、產量、耐旱力、抗病力......等多種性狀特性。
基因序列資訊成為研究植物生長及表現的關鍵資料，也增進傳統育種的速度，但在氣候變遷、環境污染加劇的現今，未來的糧食危機實已迫在眉睫，可直接改變農作物特定基因位置以顯現指定性狀、更快速精準育種的「新興精準育種技術」，正被世界各國關注，列為生物科技研究重點之一。
利用生物體自然修復基因序列的機制 實現精準育種
一般情況下，植物體內DNA會因為體內的自由基攻擊、外在紫外線照射等因素造成DNA斷裂損傷，這時，體內的自然修復機制會將缺損DNA重新接合、補上鹼基材料，回復為一條完整的DNA，而被修補的DNA片段在修復時亦可能會自然產生缺失或變異。新興精準育種技術中的「基因編輯技術」，即利用了自然界中DNA修復機制，透過基礎研究找出想要改變的目標DNA序列，在該區域創造DNA斷裂點，讓植物細胞修復DNA並產生自然變異，達到快速改變特定基因位置，並影響植物的性狀表現的目的。
基因編輯技術的重點：如何在特定目標DNA序列產生斷裂缺口
不同基因編輯技術的重要差異，在於如何精準地在目標DNA序列上產生斷裂缺口，目前主流的3種技術如下：
一、鋅指核酸酶（Zinc-finger nucleases，ZFNs）：利用不同的鋅指蛋白可以辨認不同特定DNA序列的特性，將鋅指蛋白組合以找出目標DNA序列，再以非專一性內切酶FokI切割DNA，引發自動修復機制使該段基因變異並影響性狀表現。
二、類轉錄激活因子效應物核酸酶（Transcription activator-like （TAL） effector nucleases， 簡稱 TALENs）：本技術同樣使用蛋白質辨認基因。TAL effector（簡稱TALE）蛋白上有特定結合DNA的序列，依照目標DNA序列設計TALE蛋白結合區域，並將TALE蛋白與FokI核酸酶融合，融合的TALE蛋白就能找到目標DNA切割，啟動修補機制影響該目標DNA片段。
三、CRISPR/Cas9：源自於細菌與古細菌的自我防禦系統，當細菌被病毒攻擊後，會將病毒的DNA片段留在細菌體內一段擁有大量回文重複的特殊序列CRISPR（clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats）之中，當未來細菌再次被相同病毒攻擊時，就可以藉由該DNA片段轉譯的RNA辨認出病毒的DNA，並用 Cas9核酸酶把病毒DNA剪斷，避免再次被感染。人們運用了這個原理發明CRISPR/Cas9技術，只需編寫好互補於目標序列的引導RNA（sgRNA）與Cas9核酸酶結合，導入植物細胞核內，就能夠鎖定目標序列基因並切割，且透過育種篩選後所得的作物與一般傳統育種同樣沒有外來基因、育種效率更高。
整體而言，ZFNs與TALENs技術使用蛋白質標定基因，技術門檻較高、需時較長、可切割位點較受限制，CRISPR/Cas9技術則容易操作、費用低廉、目標DNA的序列選擇較多，因而成為近年基因編輯的主流技術。前述 ZFNs、TALENs與CRISPR/Cas9 等可用於精準切割DNA的核酸酶，又統稱為定點核酸酶（site-directed nuclease， SDN）。
在定點核酸酶切割基因產生切口後，再將DNA修復，以達到編輯目標
在透過定點核酸酶如 CRISPR/Cas9 將目標DNA切割後，還需要生物體自主啟動細胞內的DNA修復，才算完成整個基因編輯的過程。切割目標DNA的方法以定點核酸酶為主，可再依DNA修復的方式細分為SDN1、SDN2、SDN3 三種。
SDN1是在雙股DNA製造一個切口後，讓DNA修復的過程自主產生一或數個基因鹼基的缺失或插入，達到與傳統誘變育種法相似的點突變結果；SDN2是在雙股DNA上製造一個切口，同時提供與切割位點序列相似的短片段DNA以作為補丁模板（template），使DNA依該模板序列修復斷裂，進而使目標DNA產生一或數個鹼基的改變；SDN3則是在雙股DNA上製造一個切口，同樣提供與切割位點序列相似但含有較大片段基因的DNA以作為模板，使目標DNA能依照該模板進行自主修復，修復後的DNA將帶有一段新增的基因片段，因此SDN3應用的產物可能被視為是基因改造。
以被解開的基因圖譜資訊為基礎，搭配基因編輯技術讓作物育種變得快速、精準、有效率
以目前作物基因性狀表現的資訊基礎，搭配CRISPR/Cas9技術進行作物育種，可為人類的糧食需求帶來不少助益。例如加速開發能適應缺水環境的玉米新品種、增進產量與旱地利用，或增加小麥的粒重或抗病性來減少農藥或肥料使用，維持土地地力平衡等，都是環境與人類達雙贏局面的育種成果。從安全性層面來看，傳統育種使用的化學突變法與CRISPR/Cas9技術，都是讓作物基因產生突變、不帶入外源基因，且以這兩種技術得到的新品種作物實際上無法區別使用何種原始技術育種，也因此在美國、阿根廷，使用CRISPR/Cas9技術的育種成果，若不帶有外來的基因，即被認為與傳統育種法同等安全，結果也相當。
基因編輯育種的作物安全性高，且有助提升營養、降低成本，後續應用值得期待
對於消費者來說，CRISPR/Cas9等新興育種技術的盛行，能夠帶來許多直接的好處，如增加產量使成本降低、抗病抗旱能減少環境資源利用、增加營養含量以改善民眾健康、能適應未來氣候變遷挑戰等，都是技術值得被期待的主因。
在2019年3月，美國已有餐廳採用基因編輯大豆製成的大豆油，這種大豆的脂肪酸組成更為健康、存放更為安定，對消費者有著明顯的好處，而近期美國、日本等先進國家也將有更多實際應用案例問世。使用CRISPR/Cas9技術的基因編輯農作物，不帶有其他物種的基因片段，本質上與傳統育種的結果相同，因此在食用安全性與生態影響的議題上，其實不需過分擔憂，只要充分了解技術的原理與本質，就能真正安心享用科技發展所帶給我們的珍貴禮物。
【本文由作物永續發展協會專案委託製作】
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參考資料：
▶Genome Editing in Agriculture: Methods, Applications, and Governance
▶THE FIRST GENE-EDITED FOOD HAS REACHED US RESTAURANTS
▶Hilscher, J., Bürstmayr, H., and Stoger, E., 2017, Targeted modification of plant genomes for precision crop breeding, Biotechnology journal, 12(1), 1600173
▶Alburquerque N. et al. (2016) New Transformation Technologies for Trees. In: Vettori C. et al. (eds) Biosafety of Forest Transgenic Trees. Forestry Sciences, vol 82. Springer, Dordrecht
▶西螺鎮農會－水稻台農 76 號---黃金米的育成
▶水稻基因體研究新里程碑
▶人體基因編輯是在編什麼？五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR
▶吳永培、盧虎生（2002）。水稻誘變育種。Chinese Society of Agronomy
▶基因改造生物知識平台－新興植物育種技術
▶農業生技產業季刊－新興生物科技農業育種大躍進
▶財團法人中技社專題報告－基因體科技於農業及能源之發展
▶First Commercial Sale of Calyxt High Oleic Soybean Oil on the U.S. Market
▶同源基因改造（Cisgenesis）作物的介紹
