國際 C4水稻計畫
中研院分子生物研究所余淑美院士，從小對農村和農作物就有濃厚的感情。踏上研究之路後，她以水稻為一生懸命的研究主題。處處用心、事事認真的余淑美在水稻的基因研究成就斐然，獲邀參與蓋茲基金會資助的「國際 C4 水稻計畫」長達十年之久，致力於打造抗逆境、高產量的超完美水稻品種，解決越來越急迫的全球糧荒，也讓臺灣的水稻基因研究在國際占有一席之地。
「這是非常困難的挑戰，大多數植物學家都覺得做不到，壓力很大」余淑美院士說：「可是如果現在不做，就永遠沒有機會。」這位中研院院士口中的不可能任務，就是「國際C 4 水稻計畫」。
這個龐大的計畫，終極目標是打造出高產量的「超完美稻米」，以餵飽全世界不斷增加的人口——目前世界人口已經超過 77 億，預估 2050 年會超過 95 億。想要餵飽這麼多人，糧食需要再增加 60%！然而，土地大量開發、水資源不足，全球氣候環境惡劣，現有糧食增加速度已追不上人口增加速度。
"在科學家擘劃的藍圖中，這種超完美稻米與我們現在栽種、食用的稻米截然不同，將會是「C4 型」的植物，能夠高效率利用太陽能，使用較少的水和肥料，卻能有很高的產量。"
等等，什麼是 C3、C4 型植物？
大家都知道植物會行光合作用：利用陽光把空氣中的二氧化碳和土壤中的水轉成醣類。C3 型植物，意即光合作用轉化二氧化碳時，最先產物為三碳化合物，如水稻、小麥、大豆、馬鈴薯等等；C4 植物的最先產物則是四碳化合物，如：玉米、甘蔗、高粱、芒草等等。重點來了！C3 型植物行光合作用的效率沒有 C4 型那麼好，也比較耗水。國際 C4 水稻計畫，簡言之，即是把屬於 C3 型植物的水稻改造成 C4 型植物。
C3 植物，意即光合作用轉化二氧化碳最先產物為三碳化合物， C4 植物最先產物則是四碳化合物。 C4 型植物的葉片中具有特殊的組織結構，以及複雜的酵素生化反應，可以讓二氧化碳更有效率地轉換成糖類，並且減少在蒸發作用流失水分。換句話說，以同樣的水量灌溉，C4 植物可產生的糖比較多。國際 C4 水稻計畫，簡言之，即把屬於 C3 型植物的水稻改造成 C4 型植物。
圖說設計│黃曉君、林洵安
「這個任務必須改變水稻的組織構造，以及它所進行的生化反應」，研究水稻基因超過30年的余淑美解釋：「其中牽涉太多基因，要把水稻完全改造成 C4 型，真的難如登天！」不過余淑美始終堅信，有做就有希望。
因為在漫長的演化長河中， C4 型植物就是從 C3 型演化過來的，換句話說，C3 型是 C4 型的祖先。如果以人為的方式加速水稻往 C4 型植物演化的路徑，或許可以把水稻的光合作用模式調整成人類需要的樣子，解決未來糧食不足的困境。
以田間試驗評估轉殖成效
國際 C4 水稻計畫，一開始全世界共有二十多個實驗室參與，隨著計畫一期一期推動，愈來愈聚焦，到了第三期時（2015～2019 年）剩下 12 個實驗室。2019 年 12 月 1 日進入第四期（2019～2024 年），只剩 七個實驗室參與。余淑美率領的研究團隊於 2009 年獲邀加入，至今已經堅持參與超過十年，義無反顧繼續前行。
最近的第四期計畫，余淑美的團隊負責兩個項目：一個是從「臺灣水稻突變種原庫」篩選出與 C4 型光合作用相關的重要基因，另一項工作則是把 C4 型的光合作用基因轉殖到水稻，種植在田裡，然後評估這個基因在水稻上是否有類似在 C4 植物時的功能、可否提高光合作用的效率。
「水稻轉殖之後，一定要到田裡去種，」余淑美表示，因為要試驗的水稻數量很多，光靠生長箱或溫室培養是不夠的，而且生長箱或溫室的環境非常穩定，沒辦法看出真正的農藝性狀，必須回到田裡，經過自然環境日曬風吹雨打的洗禮，才能顯現真正的性狀。
余淑美 (右二) 以及來自國際稻米研究中心的 C4 計畫第一到第三期的總主持人（右一）、國際稻米研究中心訪問學者(左二)、學生羅舜芳博士(左一)，於水稻實驗水田旁合影。
圖片來源│余淑美
借重「水稻突變種原庫」的經驗
余淑美之所以能被國際 C4 水稻計畫委以重任，主因為團隊水稻基因轉殖的技術非常純熟，執行田間農藝性狀的評估已有十多年的經驗，這都要歸功於余淑美於 2002 年開始領導整合國內各個單位建立的「臺灣水稻突變種原庫」！
時間回到 1993 年，余淑美與博士班學生詹明才（現為中研院農業生物科技研究中心研究員）成功完成全世界第一個利用農桿菌轉殖水稻基因！此法便宜又快速，突破了水稻基因轉殖的瓶頸，目前已被廣為使用。
臺灣水稻突變種原庫，即利用農桿菌製造基因突變的水稻，作為研究水稻基因功能的材料。余淑美解釋，水稻大約有4萬個基因，想知道每個基因有什麼功能，最簡單、快速的方法就是製造突變：破壞基因或是促進基因表現，讓水稻出現不一樣的性狀，藉由性狀的改變來探討基因的功能。
舉例來說，如果利用農桿菌在水稻的基因體插入一個基因，製造突變，結果水稻長得很高，我們就知道這個基因與水稻生長的高度有關，由此著手研究，很快就能找到調控水稻高度的基因。
成立至今，臺灣水稻突變種原庫已製造、累積十萬多突變株，建立6萬筆突變基因資料，成為全世界科學家研究水稻基因功能的寶庫。
「建立水稻突變種原庫是一項非常艱鉅的任務」，余淑美回憶：「需要很多經費、很多人，和長時間的投入。」因此她遲疑了兩年，眼看基因功能研究已是全球擋不住的趨勢了，臺灣如果再不跟上潮流，水稻基因研究就會一蹶不振，失去競爭力。她決心放手一搏！
余淑美四處爭取經費，費盡心力整合中研院、國科會、農委會、中興大學等單位的資源，終於完成這項不可能的任務。目前，全世界只有韓國、法國、中國和臺灣有類似的水稻突變種原庫，臺灣雖然起步晚，花費的經費也比別人少，卻是目前品質最好的。
"臺灣水稻突變種原庫利用農桿菌轉殖技術，製造出基因缺失或活化的水稻突變株，並保存突變水稻的種子，開放全世界申請，作為研究之用。"
水稻長得好的秘密基因
除了優異的轉殖技術與豐富的田間試驗經驗之外，余淑美長年專注在水稻抗逆境生長的基因研究，也是受到國際 C4 水稻計畫肯定的原因之一。像去年（2019 年），余淑美的團隊就破解了水稻糖濃度的調控機制。
「人體內的血糖要維持一定的濃度」，余淑美說：「植物也一樣，糖的濃度維持一定範圍，才能長得好。」
水稻主要是利用 α-澱粉水解酵素（α-amylase）將澱粉分解成糖。余淑美團隊的研究發現：缺糖時，水稻利用調控因子 MYBS1 促進 α- 澱粉水解酵素產生，把儲存的澱粉分解成糖；糖濃度過高時，則利用 MYBS2 來抑制 α- 澱粉水解酵素的產生。兩種機制互相協調，讓水稻的糖濃度維持正常範圍。
余淑美團隊的研究發現：缺糖時，水稻利用調控因子 MYBS1 促進 α- 澱粉水解酵素產生，把儲存的澱粉分解成糖，讓水稻的糖濃度恢復正常；糖濃度過高時，則利用 MYBS2 來抑制 α- 澱粉水解酵素的產生。
圖說重製│林洵安 資料來源│余淑美
當植物遭遇乾旱、高溫、病菌感染等逆境時，往往呈現糖濃度太低的狀態，就是抑制 MYBS2 ，讓 α- 澱粉水解酵素大量表現，維持體內糖濃度的平衡來抵抗逆境。
了解這個機制後，她利用基因編輯技術控制 MYBS2 及 α- 澱粉水解酵素的表現，果真增加水稻的生長效率、耐逆境，而且維持高產量。
從世界看臺灣
「加入國際 C4 水稻計畫這樣的團隊，學到非常多！」余淑美說：「而且經費比較充裕，國外的博士生、博士後研究員等素質又好。」相較之下，臺灣研究人才的量和質一直在下降，「缺乏人才」已成為參與國際計畫最大的困難和挑戰。
余淑美認為政府在這當中扮演非常關鍵的角色，「很多部分靠我們自己努力，還可以克服，一旦牽涉到政策，真的無能為力。」政府不鼓勵基因轉殖作物、不重視農業生技，相關科系畢業之後找不到工作，自然沒有學生想唸——沒有出路、沒有新血，臺灣的研發能力怎麼深耕？
為了讓世界免於飢餓，國際 C4 水稻計畫要逆天打造全新型態的水稻；以米為主食的臺灣，農業研究是不是也該行所當行，開創新生機？！
本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。
