基因工程改良生物的原理 與 省思 趙淑妙 台灣 中央 研究院 生物多樣性中心.

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1 基因工程改良生物的原理 與 省思 趙淑妙 台灣 中央 研究院 生物多樣性中心

2 趙淑妙 Shu-Miaw Chaw On-going projects 進行中計畫:
PhD Tulane Univ. （New Orleans) 1985 中央研究院生物多樣性中心 特聘研究員 2009- 陽明生科系＆基因體研究所兼任教授 2000 – On-going projects 進行中計畫: I. Organellar genome evolution of seed plants Evolution of mitochondrial and chloroplast genomes: Insight into phylogeny of gymnosperms 比較粒線體與葉綠體基因組的演化: 剖析裸子植物的親緣演化 II. Genes targeted for defense and ecological signals Cloning, characterization and evolution of terpene synthase genes in endemic gymnosperms 臺灣特有裸子植物的萜類生合成基因選殖與其演化 Genomic approach to discovering novel fragrance-related genes 以功能基因體方篩選香味合成相關新基因

3 為何研究裸子植物的演化？ 裸子植物（1000種） （被子/開花植物 25,000種） 地球上溫帶、高山的主要植被 人類（和其他生物）的
烏心石 裸子植物（1000種） （被子/開花植物 25,000種） 地球上溫帶、高山的主要植被 人類（和其他生物）的 衣、食、住、行來源 休閒、娛樂 （國家公園、花草、樹木） 紅花八角 北五味子 台灣萍蓬草 昆欄樹 1999 International Botanical Congress’s the Top news of angiosperm evolution (4 genes) Amborella is the most primitive taxon .. 松 台東蘇鐵 台灣紅豆杉 蝴蝶蘭 Encepharlotos 南洋杉 呂勝由攝

4 裸子植物 被子植物

5 已知的可靠的化石植物時間 ~ 440MYA Angiosperms & Gymnosperms Kenrick & Crane 1997
Reliable fossil records have indicated that the terrestrialization of plant occurred at 450 Myr ago. Trachophytes evolved around 440 myr ago. Euphyllophytes evolved at 400 – 420 Myr ago. embryophyt ~ 440MYA ~ 450 MYA Angiosperms & Gymnosperms Kenrick & Crane 1997

6 Plant Cell 植物細胞 葉綠體 光合作用 : 糖 粒線體 發電廠： ATP
光合作用 : 糖 粒線體 發電廠： ATP There are two organelles in the plant cells that have their own genomes.

7 Chloroplasts 葉綠體 A typical plant cell might contain as many as 50 chloroplasts Made up of 3 types of membrane: 1. An outer membrane which is freely permeable to molecules. 2. An inner membrane which contains many transporters: integral membrane proteins that regulate the in and out of small molecules, like sugars ＆ proteins 3. A system of thylakoid membranes An inner membrane which contains many transporters: integral membrane proteins that regulate the passages (in and out ) of small molecules, like sugars and proteins synthesized in the cytoplasm of the cell but used within the chloroplasts

8 光合作用發生在地球的哪裡 (海洋和陸地）？
Global Distribution of Photosynthesis (ocean & land) 針葉樹組成占優勢的地區 顯示高度的光合作用 Areas where conifer forests are dominant show high levels of photosynthesis. In Taiwan – Conifers 58%, Conifer forest 31% Min Max Max Min (

9 Characteristics of the C. taitungensis cpDNA
Wu et al MBE Genome size: 163,403 bp LSC: 90,216 bp SSC: 23,039 bp IR: 25,074 bp 169 genes: 123 protein-coding genes, 8 ribosomal RNA genes, 38 tRNA genes AT content: 60.5 % pseudo-tufA gene 台東蘇鐵

10 2011/7/29 基因改造科技資訊網電子報-第十五期 http://gm.coa.gov.tw/web/content/news/ews
美國眾議院決議阻止FDA核准基改鮭魚上市 美國眾議院於日前表決通過一項眾議院農業撥款法案的修正案，該修正案將阻止FDA核准供人類食用之基因改造鮭魚上市。 對於美國AquaBounty Technologies公司申請基因改造鮭魚AquAd-vantage Salmon上市一案，FDA於2010年的初步分析報告表示，AquAdva．．．． 詳見全文） 英國科學家成功培育抗禽流感之基因轉殖雞 英國劍橋大學的研究團隊已利用基因工程技術培育全球第一批抗禽流感之基因轉殖雞，然而產業界對後續則持保留態度。《科學》雜誌 澳洲基改食品之民眾態度調查 澳洲創新產業科學研究部(Department of Innovation, Industry, Science and Research)委託IPSOS-Eureka Social Research Institute調查公眾對於生物技術的態度。此調查 （詳見全文）

11 2011/7/29 基因改造科技資訊網電子報-第十五期 http://gm.coa.gov.tw/web/content/news
最近的調查於 - 2009年12月至2010年7月進行 - 對象為1,024位澳洲民眾。 於「改造植物基因以生產食品」方面，比較2007與2010年大眾的態度變化，結果 在認知上兩次的調查結果相近，分别為83%與82%， 但在風險方面略增，認為有風險者由2007年:43%, 2010年: 48%； 在有用性及接受度也雙雙下降，分別由77%減少至70%， 與69%減少至63%。 整體而言，澳洲民眾對於基因改造用於食品生產的支持度稍微下降。

12 基因工程改良生物 的原理 與省思 神 說 、 地 要 發 生 青 草 、 和 結 種 子 的 菜 蔬 、 並 結 果 子
基因工程改良生物　的原理 與省思 神 說 、 地 要 發 生 青 草 、 和 結 種 子 的 菜 蔬 、 並 結 果 子 的 樹 木 、 各 從 其 類 、 果 子 都 包 著 核 ． 事 就 這 樣 成 了　（聖經　創 世 紀 1：11）。 神 說 、 我 們 要 照 著 我 們 的 形 像 、 按 著 我 們 的 樣 式 造 人 、 使 他 們 管 理 海 裡 的 魚 、 空 中 的 鳥 、 地 上 的 牲 畜 、 和 全 地 、 並 地 上 所 爬 的 一 切 昆 蟲 （ 聖經　創 世 紀 1：26）。

13 人工育新品種 需要費10-20年 … and it is certain, as I have myself found, that true seed may be saved during at least several generations from distinct varieties growing close together. Under these circumstances, Mr. Fitch raised, as he informs me, one variety for twenty years, which always came true.” (Darwin, C. R The variation of animals and plants under domestication. London: John Murray. First edition, first issue. Volume 1.Page 329.)

14 （Making transgenic plants） 方法有如下數種:
製造基因轉殖植物 （Making transgenic plants） 方法有如下數種: 同義詞 (Synonyms): • 基因修改的生物（有機體） (Genetically modified organism, GMO) • 遺傳工程的生物 (Genetically engineered organism, GEO)

15 利用微生物的基因輸送

16 基因轉殖植物

17 基因轉殖動物

18 基因轉殖物種的篩選

19 轉殖農作物：黃金米(Golden Rice) May 31, 2000
• 轉殖稻米的一種品種其含有可合成類胡蘿蔔素(beta-carotene)的基因,可合成維生素A 的前軀物 (provitamin-A), 因此可以減緩 發展中國家 維生素A (vitamin A, retinol) 缺乏的問題.

20 基因轉殖株的益處 1. 改善營養品質 中選殖出來的基因; 1個來自於細菌的基因 所必需的基因組合; 因而得名
 黃金米含有2 個從水仙花 (daffodil) 中選殖出來的基因; 1個來自於細菌的基因  這3個基因是合成類胡蘿蔔素(beta-carotene) 所必需的基因組合;  維生素A的前軀物(provitamin-A)呈金黃色, 因而得名

21 重要基因轉殖株的益處 2.具有害昆蟲抗性(Insect Resistance)的轉殖株
蘇力菌 (Bacillus thuringiensis) 其所產生晶體蛋白有殺害昆蟲的能力. 以基因 重組技術將該蛋白基因轉殖入植物的染色體中,使轉殖株也有抗有害昆蟲的能力, 因此可以減少化學農藥的使用. 3. 具病害抗性(Disease Resistance)的轉殖株 將有抗植物病毒(resistance against plant viruses)的基因轉入植物中,可使轉殖作 物獲得抗植物病毒的能力轉殖作物有: 煙草,蕃茄,和馬玲薯等. 4. 具抗除草劑的轉殖株(Herbicide Resistance) 將有抗除草劑的基因轉入作物以增強其對除草劑(的存活能力. 5.具耐高鹽度的轉殖株(Salt Tolerance) 科學家已陪養出能在鹽度高的土地中生長的蕃茄轉殖株, 轉殖株可將過多的鹽分排出,因此並沒有多餘的鹽份(excess sodium)殘留在果實中

22 生物藥學(Biopharmaceuticals)
有藥用價值的蛋白基因(genes for proteins)可轉入植物中,讓植物合成生物藥物可供人類或動物臨床上的應用 1.人類生長激素基因篏入煙草的葉綠體DNA中. 2.人類化的抗體以對抗傳染媒介如: *愛滋病毒(HIV) *呼吸系統合胞病毒(respiratory syncytial virus, RSV) *精蟲蛋白(sperm) 供避孕用(possible contraceptive) *單純疱疹病毒(herpes simplex virus, HSV), 3.疫苗 (vaccines) 用蛋白抗原(Protein antigens) 4.其他有用的酵素(enzyme)蛋白如: 溶菌酶(lysozyme)和胰蛋白酶 (trypsin)

23 風險評估 (Risk assessment)-
在過去十多年間 ․在美國約有7.5億畝(75 million acres)土地種有 基因轉殖作物 ․ 其中種植大約 2.5兆顆轉植株. 資料取自2002年

24 美國三大基因轉殖作物 Percent of acreage Cotton Soybean Corn 1996 1997 1998 1999
2000 20 40 60 80 2001

25 X 其他在市場販售的基因轉殖作物 油菜籽 Canola 木瓜 (Papaya) 南瓜一種 (Summer squash)
馬玲薯 (Potato) 蕃茄 (Tomato) 玉米 (Sweet corn) X

26 超市中的衝擊 雖然現時的遺傳工程(GE)作物數量還不算多, 但造成的衝擊則很大: 估計在雜貨店中有60-70% 經加工處理的食品(中,最少含有一種或以上的成份是來自於遺傳工程產品 其中以玉米和大豆成份為主.

27 爭議 在商業農產品中,轉殖基因對自然物種 所造成的潛在性的風險與危機如: 在作物中對除草劑有抗性的基因可 能會在自然環境中轉入雜草品種中,
這將會做成日後難以處理困難. 殺蟲蛋白(B.t. toxin)基因若在花粉中表 現，將危及頼以為生的蜜蜂等有益昆蟲.

28 複製動植物的潛在性利基 藥物量產的新方法? 加強臨床與遺傳檢測的研究? 複製技術可大量製造遺傳上一致的轉殖體(mass produce
動物已成為製造藥物的工廠,或生物反應器(bioreactor),如生產胰島素 (insulin)和抗凝血劑(anticoagulants)等.科學家期待開發複製生物體 (cloned life forms)以生產抗生素(antibiotics),麻醉劑(anesthetics),抗凝 血劑(anticoagulant),疫苗(vaccines)和激素(hormone)等藥物 加強臨床與遺傳檢測的研究? 複製技術可大量製造遺傳上一致的轉殖體(mass produce genetically identical trnasgenic subjects), 以供醫學和遺傳測試上 研究之用. 改善食物供應? 動物複製(Animal cloning)可大量生產品質良好的各類食品 (quantity and quality of various foods).

29 其他改良的動植物產品? 增加人類生活品質的產品有: 衣服(棉花,羊毛,皮革,羽毛) 建材(木材等) ;燃料(木材,燃油等);其他原料等.
如：白楊 增加保育類的物種 : 可以複製方法來 維持在地球上將要絕種的動植物.

30 遺傳工程技術複製動植物的潛在性風險 • 對進化過程(process of evolution)的衝擊複製會減少
遺傳上的多樣化,將會做成生物進化的問題. • 什麼是發生來自動物疾病傳染人類(zoonoses)的危機? • 什麼是感染性蛋白(prions)所引發的危機?除了人類庫氐 症(Creutzfeldt-Jakob disease, CJD) 和家畜中的狂牛症(Mad Cow disease)外, 還會引發什麼類似的疫病?

31 複製動物在倫理學上的定位 Ethical Positions on Animal Cloning • 複製的觀念可能令一部份人感到不安甚而
感到憤怒 •更多人會關注複製對倫理上所做成的分歧 ․原則上使用動物研究若帶來人類或其他動物的福祉, 在道德的觀點上是容許的 • 無論如何,實驗動物必需受到法規的保護以避免受到虐待，同時要使其盡量減少不必要的痛苦

32 基因轉殖植物遺傳特性調查及生物安全評估原則
壹、前言 行政院農業委員會依據植物品種及種苗法第五十二條第三項規定授權訂定發布之基因轉殖植物田間試驗管理辦法（以下簡稱本辦法），係自九十四年六月三十日起施行。依據本辦法第十八條，基因轉殖植物之田間試驗應分兩階段進行： 第一階段為遺傳特性調查，遺傳特性調查之申請，應於 完成實驗室試驗後或自國外引進前為之； 第二階段為生物安全評估，原則上應於遺傳特性調查完成，並經審議通過後始得申請。

33 參、生物安全評估 一、基因轉殖植物演變成雜草之可能性及其影響 二、基因轉殖植物對目標生物可能之直接或間接影響
（一）除不具抗蟲基因之轉殖植物免進行本試驗外，基因轉殖植物與目標害蟲之關係及影響之評估項目如下： 1.基因轉殖植物對目標害蟲之危害測定。 2.目標害蟲抗性調查。 3.目標害蟲族群變動調查。 4.對目標害蟲之天敵的生物及生態影響測試。 三、基因轉殖植物對非目標生物可能之直接或間接影響 （一）基因轉殖植物與非目標昆蟲之關係及影響之評估項目如下： 1.害蟲與天敵種類及其族群變動調查。 2.對土壤昆蟲或蟎類之影響評估。 3.授粉昆蟲：基因轉殖植物對授粉昆蟲可能之毒害、田間訪花昆蟲種類調查及訪花行為觀察。 4.保育昆蟲：依基因轉殖植物與政府法定保育類昆蟲之寄主植物的類緣關係及分布棲地等，決定是否進行室內試驗或提出文獻說明以審查其風險。

34 展望未來 開發製造 節約能源 控制人口 減少慾望 ─心靈、口腹 。。。 耐高溫作物 耐鹽作物 能源作物 高蛋白動物 住照特蘇酵素酵素

35 2011/7/29 基因改造科技資訊網電子報-第十五期 http://gm.coa.gov.tw/web/content/news
2011/08/05 15:00 在認知上兩次的調查結果 ？？， 但在風險方面略增，認為有風險者 在有用性及接受度也雙雙下降，分別由 整體而言,聽眾對於基因改造用於食品生產的支持度 ？ 下降。

36 光合作用發生在地球的哪裡 (海洋和陸地）？
Global Distribution of Photosynthesis (ocean & land) 針葉樹組成占優勢的地區 顯示高度的光合作用 Areas where conifer forests are dominant show high levels of photosynthesis. In Taiwan – Conifers 58%, Conifer forest 31% Min Max Max Min (