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從基因序列,探索植物的前世今生!臺灣囝仔在國際舞臺,展現臺灣草根的力量

科技部年輕學者養成計畫得主李承叡
2020-08-12
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從基因序列,探索植物的前世今生!臺灣囝仔在國際舞臺,展現臺灣草根的力量
圖/臺大生態演化所李承叡老師透過演化基因體學,在國際舞台上,展現臺灣的草根力量!
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不論什麼植物,是野生或是馴化,只要能取得遺傳物質,李承叡都能透過演化基因體學,探索隱藏在植物DNA裡的前世今生,甚至預測未來。從登上著名SCI期刊《Nature Communications》,到成為美國國家科學院院刊《PNAS》封面報導,這個臺灣囝仔,揭開了植物基因裡的時空祕密,在國際舞台上,展現臺灣的草根力量!

路邊的雜草,出現又消失,有誰會注意?但對臺大生態演化所的李承叡老師而言,這些雜草一點都不平凡!他可以從路邊的「阿拉伯芥」雜草族群,發現物種的遺傳結構會隨著隨環境的變遷而快速改變,並以一篇「人類影響植物基因體演化研究」,榮登國際頂尖期刊《Nature Communications》;毫不起眼的綠豆,則讓他和國際綠豆改良組織,在2020年動植物基因體大會,獲得Illumina第12屆農業基因體資助專案優勝獎(Illumina Agricultural Greater Good Initiative Grant)。而出於對苦瓜的好奇,李承叡與研究團隊、合作夥伴破解基因的秘密,把一顆翠綠的苦瓜,送上美國國家科學院院刊《PNAS》封面,同時也讓這些來自亞洲的農作物,走進世界的眼中。

挑戰演化,「挑食」的人類讓農作物被馴化

所謂物競天擇,李承叡進一步詮釋「天擇,是演化,是生物怎麼去適應這個環境;而人擇,就是馴化的過程。」馴化,指的是人類主動從野生物種的多樣性中挑選出喜好的性狀(亦即特徵、特性或形質),以人為的方式去改變作物,進而將這些物種的品系形塑成便於人類利用的樣子,例如我們餐桌上最常見的食物—玉米。

「玉米本來不是長這個樣子」,數千年前,在美洲原住民馴化玉米之前,野生的玉米個頭很小、果粒很少、外殼又硬,基本上是很難作為食物的,換句話說,就是不好吃!整個馴化的歷史,幾乎就是在幫人類餐桌上找更多食物的過程。像苦瓜,從基因體序列可以發現,苦瓜野生祖先與栽培品系大約在六千年前分家,表示栽培用苦瓜大概在那個時候開始被馴化,每一種苦瓜的變異差距頗大,除了反映遺傳架構外,苦瓜的品系眾多,也與不同區域的人喜好不同有關;像我們熟悉的山苦瓜、綠苦瓜、白玉苦瓜等,都是來滿足你我挑剔的嘴。

李承叡與研究團隊、合作夥伴破解基因的秘密,讓一顆苦瓜,登上美國國家科學院院刊《PNAS》封面,也讓亞洲的農作物被世界看見。圖/李承叡與研究團隊、合作夥伴破解基因的秘密,讓一顆苦瓜,登上美國國家科學院院刊《PNAS》封面,也讓亞洲的農作物被世界看見。

用歷史學家「找答案」的精神,發掘未來農業的契機

「我覺得自己骨子裡有點像歷史學家,除了知道歷史之外還要問為什麼、甚至是對未來的幫助」,了解農作物的歷史、環境適應、了解哪些基因突變、其實都對氣候變遷下的農業發展大有用處。李承叡擅長透過演化基因體學,找出影響物種演化的重要基因,並從研究農作物種原多樣性的過程中,找到育種改良的契機。

以作物來說,幾千年來,農夫們透過不斷雜交來培育出更好的品種,不過在現今大量生產的商業模式中,也降低了遺傳多樣性;他認為要向野外找出能適應各地環境和病菌的野生種,再把良好的基因放回我們現在吃的農作物品系裡,一來可以改良品系,二來完全沒有基改的疑慮。

面對氣候變遷,末日種子庫是植物的諾亞方舟

傳統的農業育種學家多半是看性狀,但透過族群遺傳學、基因體定序等技術,不僅可以看性狀,找出控制抗病的基因在哪裡,加速育種的時間,甚至可以精準預測哪個品種未來產量會比較高,解決氣候變遷下,糧食短缺的問題。「氣候變遷已經來了,能夠加速是很重要的!」而李承叡和國際綠豆改良組織正在做的,就是從育種、各地栽種實驗、加上基因體學大數據分析,增進糧食的生產力、永續力、到後續的市場推廣,創造人類的福祉,這也是Illumina農業基因體資助專案的宗旨。

面對氣候變遷,在全球有常駐平民人口的最北端,由挪威政府出資建造的斯瓦爾巴全球種子庫(Svalbard Global Seed Vault),也被稱為末日種子庫,就像諾亞方舟一樣,為地球保留希望的種子。然而李承叡認為,保存這些種子還是不夠,因為都是現有的品系,而人類需要的是可以對抗新環境和疾病的品系!基改也許是一個方式,但社會接受度不高。利用基因體學協助農業育種,找回在馴化過程中被丟失的遺傳多樣性,已經是全球趨勢。這也是李承叡目前與各國農作物種原中心合作的原因,希望探究亞洲農作物的馴化歷史以及對獨特環境的適應性,找到更多的可能性。

李承叡與國際綠豆改良組織,於2020年動植物基因體大會,獲得Illumina第12屆農業基因體資助專案優勝獎,照片來源:Illumina Twitter圖/李承叡與國際綠豆改良組織,於2020年動植物基因體大會,獲得Illumina第12屆農業基因體資助專案優勝獎,照片來源:Illumina Twitter

找到自己獨特的、沒人能取代的藍海

從美國的杜克大學念完博士後回到臺灣,李承叡成立自己的實驗室,專心研究農作物的演化起源。這10年來,隨著定序技術與分析方法的進展,基因體學有著突破性的成長,而獲得年輕學者養成計畫的肯定,對他很重要。「計畫的特點是不能做以前到現在正在做的題目,讓我一開始寫計畫的時候很痛苦」,後來慢慢發現這是一個讓他視野變寬廣的機會,有經費和亞蔬—世界蔬菜中心,先期合作苦瓜的研究,後續才有機會一起成功地說服 Illumina ,綠豆是個解決未來糧食危機很重要的作物,成功爭取到專案經費。

「我們那一屆有幾百個申請者」,Illumina農業基因體資助專案每年從全世界甄選,只從其中挑出一個計畫。研究經費變多,就可以把事情做大,找到自己獨特的、沒人能取代的藍海;還可以聘請相關領域的專家,拓展各國的人脈。他也自我期許能用演化生物學的概念幫這個研究加值。現在其實還剛開始,他不敢自滿,只能繼續努力不辱使命。

在臺灣,找到更開闊的人生舞台

之所以選擇離開美國回到臺灣重新開始,除了想要陪家人之外,也跟他未來想做的事有關。「我想做的比較廣,歷史、地理、農業、生態、演化。」而地理歷史的領域,從中文書籍入門比較快。生態和演化的地域性很重要,與其留在美國和其他專家競爭玉米、番茄這些研究「紅海」,他更想回到亞洲跟在地農業機構合作,讓這些在歐美沒有太大知名度的農作物被全世界看到,未來能增加全世界的糧食多樣性。這也是他眼中的「藍海」。

不只是李承叡選擇在臺灣開啟新的旅程,另一位獲得愛因斯坦培育計畫的交大土木工程系助理教授袁宇秉,則選擇從香港來到臺灣,「因為這裡有很棒的學術環境,不同領域的優秀學者」。曾經榮獲英國結構工程師學會和香港工程師學會聯合頒發2017結構卓越大獎,他認為這個計畫給他機會跳出自己的舒適圈。

吸引人才,為臺灣開發更多「腦礦」

紐約時報專欄作家曾說過,臺灣沒有煤礦,或其他礦產,但有一種很重要的東西:腦礦!這些年輕學者願意盡自己所學,為臺灣貢獻出源源不絕的腦礦。「像我來臺灣,朋友問我Why Taiwan?」他們或許是從薪水的角度考量,但袁宇秉覺得只有高薪是留不住人才的!就他了解,臺灣有很多研究中心設備非常先進,像加拿大科技部等不少國外研究機構都願意和臺灣合作。李承叡則認為臺灣的優勢,像農試所、農改場、畜試所、水試所擁有幾十年的豐富經驗;研究人才的素質也很優秀;他也鼓勵這些優秀的年輕學子,要找到自己的藍海,這樣才能事半功倍,增加自己的不可取代性。

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