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Opportunities for Applying Biotechnology

Opportunities for Applying Biotechnology. Crop Productivity Overcoming biotic stresses (reducing reliance on chemical pesticides) Insects Weeds Overcoming abiotic stresses Soil fertility Heat stress Drought stress Inefficiency of resource use Nutritional Value of Crops

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Presentation Transcript

  1. Opportunities for Applying Biotechnology • Crop Productivity • Overcoming biotic stresses (reducing reliance on chemical pesticides) • Insects • Weeds • Overcoming abiotic stresses • Soil fertility • Heat stress • Drought stress • Inefficiency of resource use • Nutritional Value of Crops • Enhancing vitamin concentrations • Enhancing mineral concentrations • Enhancing protein content Source: NRC, 2008, lobal Challenges and Directions for Agricultural Biotechnology: Workshop Report

  2. Opportunities for Applying Biotechnology • Plant-Made Pharmaceuticals • Vaccines(疫苗) • Protein therapeutics(治療) • Improved Food Security • Reducing post-harvest loss • Reducing risks to food production • Alternative uses • Biodiversity • Engineering safeguards to protect existing biodiversity • Preserving biodiversity • Natural Resource Conservation • Renewable energy • Phytoremediation Source: NRC, 2008, lobal Challenges and Directions for Agricultural Biotechnology: Workshop Report

  3. Agricultural Biotechnology-- Tissue culture • tissue culture(組織培養), which permits the growth of whole plants from a single cell or clump of cells in an artificial medium, and has so far provided the greatest benefits to poor farmers. • 植物組織培養介紹: http://cd1.edb.hkedcity.net/cd/science/biology/resources/animation/Topic21.swf

  4. Agricultural BiotechnologyMarker-aided selection • Marker-aided selection uses our ability to detect the presence of particular DNA sequences at specific locations on a chromosome(染色體) and link these to the presence of genes responsible for particular traits(特徵). Marker-aided selection allows us to identify segments of the plant genome that are closely linked to the desired genes so that the presence or absence of the trait – that is, the success of the cross – can be determined at the seedling(幼苗) or even the seed stage. This makes it possible to achieve a new variety in four to six generations instead of ten. It is particularly useful for breeding for drought-tolerance, which is the result of a number of different traits, such as deeper roots, early flowering and changes in osmosis within plants all working together. Breeding for drought tolerance is a particularly difficult and slow process using conventional techniques, but markers are now permitting combinations of these traits to be accumulated. For example, using markers the combination of traits that make corn drought-tolerant are now being crossed into the many locally well-adapted varieties growing in Africa.

  5. agricultural biotechnologyGenetic Engineering • Genetic engineering is based on recombinant DNA technology, which enables the direct transfer of genes from one organism to another. In genetic modification, genes are moved between organisms, including those that do not cross in nature. The resulting plants, called transgenic or genetically modified (GM), have been the focus of most of the controversy over biotechnology. For some good reasons, including those connected with early episodes of corporate haste and arrogance, people in many countries are suspicious of GM crops and hostile to their use, especially in food. • For poorer farmers, the main benefits so far have come from growing cotton that is resistant to insects. The resistance is conferred by introducing gene constructs derived from the bacterium Bacillus thuringiensis (Bt). They increased yields, increased profits, and significantly reduced pesticide use. Interestingly, the smaller the farm, the greater the benefits received.

  6. “超級馬鈴薯”：是窮人的福音還是特洛伊木馬？The “protato”: help for the poor or a Trojan horse? 印度的尼赫魯大學已培育出一種轉基因馬鈴薯，其蛋白質含量比普通馬鈴薯高三分之一到一半，還包含大量人體必需的氨基酸，如：賴氨酸(lysine)和蛋氨酸(methionine)。蛋白質缺乏症在印度十分普遍，而馬鈴薯是最貧困人口的主食。 “超級馬鈴薯”是印度的慈善界、科學界、政府機構和企業界聯手的結果，它是一項歷時15 年的消滅兒童早夭計畫的一部份。該計畫旨在通過為兒童提供清潔水、更好的食物和疫苗來消滅兒童早夭現象。“超級馬鈴薯”含有一種來自莧屬植物的基因，莧是最早生在南美洲的一種高蛋白質糧食，在西方健康食品商店裡都有銷售。“超級馬鈴薯”已經通過了初步田間試臉以及過敏物質和毒素測試。要得到印度政府的最終批准可能至少需要五年時間。 Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  7. “超級馬鈴薯”：是窮人的福音還是特洛伊木馬？“超級馬鈴薯”：是窮人的福音還是特洛伊木馬？ • “超級馬鈴薯”的支持派，如印度科學院的生物化學家Govindarajan Padmanaban 認為，“超級馬鈴薯”可以為兒童提供重要的營養來源，而且沒有過敏的危險，因為馬鈴薯和莧屬植物都是人們普遍食用的東西。因為馬鈴薯和莧屬植物在印度都沒有野生親緣種，而且“超級馬鈴薯”的栽培方法和普通馬鈴薯沒有任何不同，所以不會對環境帶來威脅。另外，由於“超級馬鈴薯”是由印度的公共部門科學家培育出來的，因此不用擔心外國公司控制技術的問題。鑒於上述益處，Padmanaban認為：“反對它從道義上講是站不住腳的”。 • 而反對派，如綠色和平組織的Charlio Kronick 則認為，馬鈴薯生來含蛋白質較低（約2 % ) ，因此即使是使其含量翻倍，對解決印度的營養不良同題也只是杯水車薪。他認為，培育“超級馬鈴薯”的目的實隊上是為了爭取公眾對轉基因技術的接受，而不是為了解決營養不良同題。他說：“造成飢餓的原因不是缺乏食物，而是缺少現金和獲得食物的手段。培育這些轉基因作物表面上看起來很吸引人，但實際食用後的效果卻非常非常有限。很難相信單單靠它就能改變貧困面貌”。 Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  8. Golden Rice grain compared to white rice grain in screenhouse of Golden Rice plants Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Golden_Rice.jpg

  9. “金水稻”對菲律賓的經濟影響 “金水稻”是能夠產生維生素A原(即β胡蘿蔔素)的轉基因水稻，由德國、瑞士一些大學的研究人員聯合開發。參與開發的專利所有人將其售價定為不到1 美元，進行了人道主義捐獻，發展中國家的農民可以不付技術費進行“金水稻”生產和繁殖。 全球有2 億多人缺乏維生素A ，據估計280萬五歲以下兒童因此失明。“金水稻”是針對以米飯作為主食的人們開發的。 反對者批評說，原本該通過伙食多樣化和飲食補充便可以解決的同題，卻用“金水稻”這種高科技去解決，代價有些昂貴。而支持者則認為，飲食多樣化當然是理想方案，可是對連基本溫飽都無法滿足的上百萬人來說卻遙不可及。利用“金水稻”可向窮人補充維生素A Zimmermann 和Qaim ( 2002 ）對“金水稻”在菲律賓的潛在經濟影響進行了首例研究。他們認為“金水稻”每年可避免9000人失明和950人死亡。與其他治療方法相比，“金水稻”是一種低成本且可持續的選擇。 Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  10. 什麼是Bt棉？ 把土壤中常見的一種細菌(即蘇雲金芽孢桿菌Bacillus thuringiensis，Bt ) 的基因移植到棉株中，產生對某些害蟲有毒的蛋白質，便成為Bt棉。Bt棉能夠非常有效地控制許多棉區中常見的毛蟲類(caterpillar pests)害蟲，但對於棉鈴象甲蟲(cotton bollworm)不起作用，還需要用殺蟲劑進行控制。因此，根據蟲口數量，不同區域使用Bt棉減少殺蟲劑用量的效果也不同。 Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要? Bt toxins present in peanut leaves (bottom image) protect it from extensive damage caused by Lesser Cornstalk Borer larvae (top image). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_thuringiensis

  11. 為什麼要種植Bt棉？ 傳統的棉花生產需要使用大量殺蟲劑以控制毛蟲等蟲害。據估計，全世界25％的農藥用於棉花生產，包括那些劇毒化學品。含氯碳氫化合物（如DDT）曾經廣泛地用於棉花種植，出於健康和壞境考慮於20 世紀七十年代和八十年代才禁止使用。農民隨後便轉向有機磷農藥，其中許多也是劇毒品。但害蟲很快便產生了抗藥性，所以在20世紀八十年代和九十年代，毒性較輕的除蟲菊酯應用普遍；可是，害蟲仍然很快便產生了抗藥性，並且在很多地區出現了多重抗藥性的嚴重同題。 在主要害蟲是棉鈴蟲並且有抗藥性問題的地方，Bt棉在大量減少農藥用量方面發揮了很大作用。從生產角度來看，Bt 棉另一個優勢在於Bt抗蟲性會一直存在於棉株中而不會消失。農民都是在發現蟲害問題時才噴灑農藥，此時已經造成了一些損失。化學殺蟲劑的控制效果與天氣關係密切，如果出現雨水可能會沖走濃藥。而Bt棉則不同，可以提供持久保護，對於那些已經產生抗藥性的害蟲也可以進行有效控制。因此，Bt 棉在多種生長條件下的產量表現都很出色。令人擔心的一點是，害蟲有可能會像對付其他殺蟲劑一樣產生Bt抗性，這討於依賴噴灑Bt來控制蟲害生產有機棉的農民來說是個嚴重同題。如果普遍產生Bt抗性，抗蟲效果會大大降低。 Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  12. 阿根廷和美國 的耐除草劑大豆 Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Agrobacteriumgall.jpg 耐除草劑 (HT) 轉基因作物指受體植物中植入了根癌農桿菌（Agrobacterium tumefaciens ) ，產生抗各種草甘磷(glyphosate)廣譜除草劑的作用，有利於田間雜草控制。用草甘磷代替昂貴又有毒的除草劑，可以降低生產成本。種植HT作物，可以不用考慮什麼時間噴灑什麼除草劑，草甘磷可以有效控制寬葉雜草和窄葉雜草，並且噴灑時間要求不高。名為“抗農達”( RoundupReady ) ( RR ）的耐除草劑作物已由孟山都開發研製。 1996年，阿根廷和美國開始商業化種植抗農達大豆。兩國抗農達大豆推廣很快，到2002年，阿根廷約99 % ，美國約75％的豆田種植了抗農達大豆。無論在阿根廷還是在美國，抗農達大豆與普通大豆的產量沒有很大差別，但是減少了除草劑和耕地成本，給農民帶來了收益。 Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  13. 是Bt玉米殺死普累克西普斑蝶嗎？(1) 康乃示大學昆蟲學家John Losey 在科學期刊《自然》 上發表了一份研究論文，咋看之下，可以證明Bt玉米花粉會殺死普累克西普斑蝶(monarch butterflies )（Losey, Rayor, and Carter, 1999)。 Losey和他的同事在實驗室研究發現，他們把一種商業化生產的Bt玉米品種的花粉撒在馬利筋(milkweed, 普累克西普斑蝶幼蟲的日常食物)葉子上，然後餵普累克西普斑蝶的幼蟲，發生死亡。 Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  14. 是Bt玉米殺死普累克西普斑蝶嗎？(2) 六個獨立的研究小組就Bt玉米花粉對普累克西普斑蝶幼蟲的作用進行了後續研究，研究報告發表在2001年的《美國國家科學院院刊》上。雖然這些研究報告一致認為在原來的研究中使用的花粉在高濃度時有毒，但是他們發現田間Bt玉米花粉對普累克西普斑蝶幼蟲所構成的危險可以忽略不計。他們的結論基於四個事實：(a)大多數商業Bt玉米品種的花粉中Bt毒素的表現較低，( b) 玉米和馬利筋一般不在田間共存，(c)玉米花粉在田間傳播的時間與普累克西普斑蝶幼蟲活躍期的重疊時間有限，以及 (d) 在田間可能被普累克西普斑蝶幼蟲吃掉的玉米花粉不至於使其中毒。這些研究認為Bt玉米花粉對普累克西普斑蝶幼蟲構成危害的風險很低，特別是與其他威脅相比，如常規殺蟲劑和乾旱。

  15. Many proponents of genetically engineered crops claim they lower pesticide usage and have brought higher yields and profitability to many farmers, including those in developing nations. Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Genetically_modified_food

  16. 基因改造食物對人類健康的潛在風險 一般說來，基因改造食品可能的影響包括： (a)直接健康影響（毒性）； (b)引起過敏反應的趨勢（過敏性）； (c)插入基因的穩定性； (d)與基因改良有關的營養影響； (e)可由基因插入產生的任何非預期影響。

  17. 轉基因食品安全嗎？ 世界衛生組織(WHO)認為: 不同的轉基因生物以不同方式插入不同的基因，因此應以個案評估不同的轉基因食品及其安全性，並且不可能就所有轉基因食品的安全性發表總體聲明。 目前在國際市場上可獲得的轉基因食品已通過風險評估，可能不會對人類健康產生危險。此外，在此類食品獲得批准的國家大眾消費這些食品後並未顯示對人類健康產生影響。應繼續進行以食品法典委員會(Codex)原則為基礎的風險評估和上市銷售後監測作為評價轉基因食品安全性的基礎。 WHO, 20 Questions on Genetically Modified (GM) Foods.

  18. 哪些是與環境有關的問題？ • 有重要關係的問題包括： • 轉基因生物逃脫和潛在將人工基因導入野生種群的能力； • 在轉基因生物收獲之後基因的持續性； • 非目標生物（如非害蟲類昆蟲）對基因產物的敏感性； • 基因的穩定性； • 其它植物系列的減少，包括生物多樣性的喪失； • 在農業中增加使用化學品。 • 轉基因作物的環境安全性問題因地方條件而有相當大的差別。 • 目前的調查集中於：對有益昆蟲的潛在有害影響或更快誘發具抗性的昆蟲；可能產生新植物病原體；對植物多樣性和野生生物的潛在有害後果；在某些地方減少使用重要的作物輪作；以及抗除草劑的基因轉移到其它植物。

  19. Public attitudes to agricultural biotechnlogy

  20. The benefits of biotechnology outweigh the risks Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  21. Do you support these biotechnology applications? Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  22. Biotechnology will benefit people like me Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  23. Modifying the genes of plants or animals is wrong Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  24. Would you buy nutritionally enhanced foods? Source: FAO, 2004, 農業生物技術: 是否在滿足貧困人口的需要?

  25. 一定要到科工館網站看看 http://biotech.nstm.gov.tw/home.asp

  26. 1.基因改造作物(基改作物) Genetically Modified Crops (GMC) Or Genetically Modified Organism (GMO) 定義：以基因工程的方法改造農作物。 目的：提高農作物單位面積的產量、增加其營養成分、並增強抗病、抗旱或抗寒等 抗逆境性質。

  27. 1.基因改造作物(基改作物) • 基改作物施行國家以美國為代表。 • 反對基改作物國家為歐洲各國，尤以英國最盛。 • 前市面上常見之基改作物為玉米、大豆、小麥、蕃茄、馬鈴薯。

  28. 1.基因改造作物(基改作物) • 基改作物應用實例有黃金米(含β胡蘿蔔素)、食用疫苗、低咖啡因咖啡等。

  29. 1.基因改造作物(基改作物) • 基改作物應用實例有黃金米(含β胡蘿蔔素)、食用疫苗、低咖啡因咖啡等。 • 疑慮：是否對人體健康造成影響，以及可能破壞生態平衡，所以必須嚴格監控。 咖啡豆中的咖啡因可由基因改造方式降低

  30. 2.基因轉殖動物 定義：利用遺傳工程技術透過人為方式改造動物之基因。 目的：提高家畜之抗病能力以及經濟價值。 因遺傳基因突變所造成之雙倍肌牛

  31. 2.基因轉殖動物 • 疑慮：破壞生態疑慮，必須圈養。 • 未來展望：提供人類所需藥品，甚至做為器官移植來源。 經基因轉殖生長激素後，鮭魚生長較快速

  32. References • WHO, 20 questions on genetically modified foods, http://www.who.int/foodsafety/publications/biotech/20questions/en/ • FAO, The State of Food and Agriculture 2003-2004, Agricultural Biotechnologyhttp://www.fao.org/docrep/006/Y5160E/Y5160E00.htm • http://www.agbioworld.org/biotech-info/articles/agbio-articles/critical.html • http://www.actionbioscience.org/biotech/

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