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101年4月(第238期)

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以遺傳工程技術改善桉樹木質素與纖維素之含量


林業試驗所 鍾振德.陳怡蒨.許原瑞.蔡佳彬.陳振榮

前言

  桉樹遺傳工程研究已為世界上林木生物技術重要項目之一,本會林業試驗所過去十餘年間,針對桉樹種原及單親後裔試驗選拔之速生優型單株,進行組織培養繁殖以及基因轉殖技術之建立,並從事木質素與纖維素專屬之單一基因轉殖、檢測與堆積技術,發表許多研究報告,以及完成 5 項技術移轉的辦理,授權金合計達 765 萬元。另外比較重要的是,已經培育出近百個轉殖系的桉樹苗木,其中轉殖 C4H 、 Pt4CL1 、 CAM4CL 或 AldOMT 木質素專屬單一基因之轉殖系已完成隔離造林試驗, 20 個轉殖系則經過苗木檢測與漿廠分析,初步驗證具應用潛力,可進入較大規模試驗。

  桉樹屬( Eucalyptus )中有超過 700 種的桉樹,主要產自澳洲,極少數發現在鄰近地區的巴布亞新幾內亞、印尼和菲律賓群島。由於桉樹類多數生長快速,一直受到世界各國的重視,許多熱帶和亞熱帶國家都引進桉樹大規模造林, 1955 年僅有 70 萬公頃,但自 1990 年起開始重視纖維樹種的建造, FAO 統計 1990 年熱帶亞洲、美洲、非洲等地區的人工造林面積有 43.9 百萬公頃,其中工業用材自 1980 年的 7.1 百萬公頃,到 1990 年增加為 15.6 百萬公頃; 1990 年各類造林樹種中桉樹類造林面積達 10.06 百萬公頃,占全熱帶地區人工造林面積的 23% 。 至 2008 年為止,全世界桉樹人工林面積已達 19 百萬公頃。其中以印度栽植面積最大,約 3.94 百萬公頃,約占全世界桉樹人工林面積 20% 。巴西次之,約有 3.75 百萬公頃。中國也已栽植 2.60 百萬公頃,且近年來在南中國地區(廣東、廣西、海南島等),桉樹人工林面積持續增加中。

桉樹遺傳工程研究進展

  利用傳統林木育種技術改良桉樹已經 達到極限 ,利用基因轉殖快速培育出具有特殊材質性狀的新品系桉樹,已經是各國競逐的標的。 2010 年 美國農業部核准 ArborGene 公司進行基因轉殖雜交桉樹(E. grandis x urophylla )田間試驗之申請,試驗地涵蓋阿拉巴馬、喬治亞、路易斯安那、密西西比、南卡羅來納、德克薩斯及佛羅里達等 7 個東南方州,設置總面積近 330 英畝的 29 處試驗林地。美國並非桉樹之原生地,其可以栽植桉樹的地區也侷限在佛羅里達州等地,但其對於桉樹研究與前進南美洲進行大規模商業生產,卻領先於其他各國,著眼於背後之經濟利益。

  臺灣紙漿原料 99% 為國外進口,而主要原料為桉樹木片,因此我們有關基因轉殖研究聚焦在桉樹,由於化學製漿廠的機械設備與產程設計已經非常精進,藉由工業產程的調整而獲得紙漿收率的提高,不僅投資金額大且效益非常有限,一般僅能提高得漿率 0.2% ,至多不超過 0.5% 。相對的,改良原料材性質的空間卻非常之大,尤其近年間利用基因工程技術從事林木改良的研究成果最為顯著,例如:轉殖木質素生合成基因, L-phenylalanine ammonialyase ( PAL )、 cinnamate 4-hydroxylase ( C4H )、 4C L 或 caffeoyl-coenzyme A Omethyltransferase ( CCoAOMT ),都會使轉殖植物呈現木質素含量下降之現象,其中以轉殖 antisense 4CL 基因之降低木質素含量效果最佳,而且還會使纖維素的含量增加。但上述研究成果都不是在桉樹屬( Eucalyptus )樹種完成,而且未進入隔離田間試驗,當然無法提供製漿性質以及成本分析的資料,所以都不甚具有產業應用價值。

  林業試驗所有關基因轉殖桉樹的研究進展, 2001 年 轉殖 antisense C4H 基因的一個赤桉品系,其 3 年生的木材經過漿廠製漿檢測與成本分析,由於木質素含量的下降,平均得漿率提高 0.4% ,結果已呈現節省成本與提高收益之效應,故已由國內科技公司先行完成技術移轉之辦理,並藉此順利與國際大漿廠的研發部連線,從事多項桉樹合作研發之計畫。此外,經過轉殖 antisense aspen 4CL1 基因之赤桉,其隔離造林木之製漿檢測,已經可提高得漿率至 1.3% 。更進一步, 2006 年我們已經從赤桉的發育木質部組織( developing xylem tissues )選殖出 Euc4CL1 基因( GenBank accession no.,Q147001 ),並培育出轉基因桉樹苗木,其造林木之得漿率將可提高 2% 至 5% 之多。

桉樹木質素與纖維素基因選殖與轉殖

  除了上述選殖的赤桉木質素 4C L1 基因之外, 2009 選殖五個赤桉纖維素基因( EcCesA1~A5, BankItl HQ864583~7 ),基因轉殖的流程為切取桉樹葉片,與帶有轉殖基因的農桿菌進行培養,培養後的葉片組織放到添加抗生素的培養基內,篩選具有轉殖基因之癒傷組織(附圖 a ),具有轉殖基因之癒傷組織培養後誘導出芽體(附圖 b ),芽體經過 增殖抽長誘導發根後, 栽植到穴植管內( 附 圖 c ),苗木培育後即可出栽至隔離田間進行遺傳性狀檢測。

桉樹轉殖木質素基因之遺傳性狀評估

  對於木材紙漿的生產而言,木質素的化學反應性同樣也是一項關鍵性的障礙,因為從木材移除木質素通常是由化學降解開始,其實大部分是整個程序都經過化學反應而完成,包括後半段的漂白過程。因此,現今側重於低木質素總量的林木生物技術必須延伸到含有較佳的木質素反應性質,甚至於最終達成具有低含量以及反應型組合之木質素特性。由於包括桉樹的闊葉樹,其木質素是由 syringyl 與 guaiacyl 單體所聚合而成,其 S/G 比率大致為 2–2.5 。木材製漿動力學的研究顯示,每提升 S/G 比率的一個間距,幾乎可以使移除木質素的速率加倍,正好支持增加 S/G 比率可以和減少木質素含量形成一項生物技術的組合,促使木材紙漿的生產達到最大的效率。轉殖 sense CAld5H 基因也曾在非桉樹的其他模式樹種進行過試驗,而且也證實增加 S/G 比率的真實性,以及 CAld5H 就是調控 syringyl 與 guaiacyl 木質素單體的關鍵基因,林試所將這些研究帶到商業性的桉樹品系內, S/G 比率最高達 8.3 , 並進入隔離造林試驗,基因轉殖桉樹新鮮木頭成現紅色,木材進入漿廠後打成木片,並進行製漿,完成整個漿廠經濟效益評估。

未來展望

  我們的研究則已經將 4C L1 與 CAld5H 基因轉殖到優良桉樹的營養系,並培育出轉基因桉樹苗木,以及進入隔離造林試驗,再到紙漿廠進行經濟評估階段。在此研究基礎下,我們發展不同的基因堆積技術,培育出多重轉殖木質素基因之桉樹苗木,使其具有低木質素、高纖維素含量以及容易降解木質素單體之遺傳特性。並從事赤桉纖維素生合成系列基因之選殖與基因靜默( gene silencing ), SiRNA 技術之建立,藉以培育多重轉殖木質素與纖維素基因之桉樹轉殖系,建立變種庫,將桉樹之分子育種研究工作帶入功能性基因體之新研究領域。

      A                            B                                C

a  b  c

桉樹基因轉殖步驟。( a )添加抗生素培養基篩選具有轉殖基因之 癒傷組織,( b )癒傷組織誘導出芽體, ( c )抽長 芽體誘導發根 。

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