根據新加坡國家環境局(National Environment Agency，NEA)的資料顯示，食物殘渣約佔新加坡廢棄物總量的10％，估計只有14％的食物殘渣有效被回收。為了有效利用這些食品廢棄物，新加坡國立大學(National University of Singapore，NUS)與上海交通大學合作，開發了一種厭氧發酵系統，能夠回收食物殘渣並將其轉化為肥料，發酵時所產生的沼氣也能用來發電與維持系統運作。 　　藉由微生物的幫助，一公噸的廢棄物約可產生兩百至四百瓩(kWh)的電，隨著廢棄物中所含的碳水化合物、蛋白質與脂質越高，所產生之沼氣與發電量也就越多。透過沼氣發電後部分能量可供應系統熱水與電腦、幫浦、換氣扇等需電裝置，以維持發酵時的最適溫度50℃，多餘的電力則可儲存於電池當中。此外，發酵系統中的每一個過程都能透過電腦進行控制，而各裝置上的感測器也能將排程開始、結束及異常訊號傳送至管理者手機中，以確保系統運作時的效率和安全性。【延伸閱讀】研究指出農電共生的經營模式可最大化太陽能光電轉換效率 　　此厭氧發酵系統裝設於可移動裝置上，每天可處理約200公斤的廢棄物，將80%廢棄物轉化成富含營養的肥料，加工後可供給於農藝或園藝所需。另外，此系統於發酵過程中能除去水份與硫化氫，因此可避免發出難聞氣味，適合用於人口密集的城市處理廚餘之用。現在研究人員正於校內持續測試，電池中儲存的電力則作為學生手機與平板充電站之用；而另一個更大的400公斤系統也正在開發中，希望未來能實際使用於當地居民生活當中。

藍綠菌(Cyanobacteria)是地球上廣泛存在的微生物之一，能夠利用以光合作用合成自身所需養分，屬於自營生物。而帶有葉綠素或葉綠體的自營生物，能經由複雜的代謝過程固定大氣中的二氧化碳，將光能轉化為化學能，提供後續生理各階段所需能量。微生物的代謝途徑十分複雜，琥珀酸(succinate)便是其中一項重要的中間產物；此外，琥珀酸也是現今石化工業經常使用的原料之一，可從石油或微生物轉化而得，藍綠菌可經由代謝過程將二氧化碳轉化為琥珀酸，若是深入探討此細菌合成琥珀酸之機制，將有助於微生物協助工業製造的發展。 　　日本神戶大學(Kobe University)發現實驗室中常使用的藍綠菌Synechocystis sp. PCC 6803於攝氏30至37度間，隨著環境溫度上升，代謝途中重要的有機酸產物也會跟著增加。經過分析，確認磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(Phosphoenolpyruvate Carboxylase，PEPC)參與的代謝過程中重要的速率決定步驟，因此使用基因工程技術改變了藍綠藻Synechocystis sp. PCC 6803，將其生產琥珀酸的速率提高至先前研究報告中的7.5倍。【延伸閱讀】燻蒸劑對土壤健康方面的最新研究 　　此系列研究有助於人類進行微生物碳代謝途徑之基礎研究探討，未來或許也可應用於商業化微生物之固碳速率提升。相關研究發表於<Metabolic Engineering>

苦味是動物長期以來演化的味覺感受之一，通常也是最敏銳的一種，苦味的來源並非由單一化學物質所引起，主要含有苦味的兩類化合物為長碳鏈有機化合物與生物鹼。苦味通常也與危險訊號連結，例如某些生物鹼的致死劑量極低，食用過量將對動物健康形成危害，故苦味在某種程度上也是保護動物免於傷害的防護線。然而，部分對人體有益的食物或食品也含有苦味，因此食品和製藥行業一直在尋找減少或消除苦味的方法，增加這些食物或藥物的適口性。 　　生物活性肽泛稱一類分子量小於6000Da(Dalton)的小分子蛋白質，因其組成的胺基酸種類與排序不同而形成多樣結構。其中由牛肉蛋白質分解成的生物活性肽可以阻絕舌頭上的苦味受體，具有可添加在於其他食物或是藥物當中的潛力。人體中能偵測苦味的受體至少有25種，這些受體屬於味覺家族蛋白中的第二型（T2R），然而到目前為止，只有少數T2R活性抑製劑被發現。【延伸閱讀】科技始終來自「牛」性 機器人擠牛乳產量增加15% 　　加拿大曼尼托巴大學(University of Manitoba)的研究人員則使用六種不同的酵素，包含鹼性蛋白酶(alcalase)、胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)、胰蛋白酶(trypsin)、胃蛋白酶(pepsin)、風味酶(flavourzyme)和耐熱蛋白酶(thermoase)，分解牛肉蛋白產物，再利用電子舌偵測這些產物降低奎寧苦味的效果，發現用胰蛋白酶和胃蛋白酶分解後的產物降低奎寧苦味的效果最好。此外，於HEK293T細胞中添加鹼性蛋白酶與胰凝乳蛋白酶的水解產物也可以減少T2R4苦味受體釋放鈣訊號，且這些阻斷苦味訊號的效果與多肽的結構長短相關，此發現未來或許可應用於食品或藥物添加之用途。 　　相關研究發表於ACS的<Journal of Agricultural and Food Chemistry>

全球人口數量至今仍在持續增加，據聯合國統計，至西元2050年時全球人口預計將超過90億，屆時糧食需求將增加六成以上。然而目前儘管耕作方式不斷改進，但農作物產量增加速度並無法跟上糧食需求的增長。此外，氣候變遷、環境汙染、土地與水資源耗損等因素也持續威脅著糧食安全，因此發展改變食物生產的突破性技術刻不容緩。 　　未來預計80%的人將聚集於城市地區，如何在空間、資源與能源的限制下應付高密度人口的糧食所需是學者專家們正在努力研究的方向，「垂直農業」的出現提供未來糧食生產的新方向。垂直農業藉由精準的偵測與環控技術，創造適合作物生長的理想環境，屏除天然氣候的不確定因素與病蟲害侵擾之風險，日本、荷蘭、新加坡與美國等地均已出現相關的商業化工廠；預計至2024年，垂直農場市場將到達130億美元。【延伸閱讀】能偵測土壤水分多寡的作物灌溉感測器將能達到省水之效 　　除了營養、需水量、溫溼度控制外，二氧化碳濃度也是影響作物生長與光合作用速率重要的影響因素，適當的濃度可以幫助節省作物用水量與增進生長速度。英國Edinburgh Sensors公司推出了氣體感測器-GasBoxNG，此儀器使用NIDR (non-dispersive infrared) gas sensors進行偵測，當紅外光通過含有二氧化碳的空氣管時，部分光線會被吸收，而機器可以光線通過差異推算二氧化碳濃度。使用在垂直農場中可即時監測二氧化碳濃度，並搭配自動化控制系統持續維持適合作物生長的二氧化碳濃度。另外，此儀器也能應用於厭氧發酵時的通氣量監測與植物生理狀態觀察，並將資訊傳輸於電腦或智慧型平板中。

植物育種技術之演進 談新興基因編輯技術CRISPR/Cas9 於農業之應用 孟孟孝 教授 國立中興大學  生物科技學研究所   　　對農糧作物進行育種和對禽畜進行馴養一直是人類文明演進過程中的重頭大戲。數千年來老祖宗們所採用的作物育種方法依賴的是植物的自發性突變，從自然界中挑選出具有特殊表徵的變異植株，再透過反覆的雜交與回交，篩選出具有特定農園藝性狀的作物。而產量高、風味佳、抗病強、或栽種易等都是向來受到青睞的性狀特徵。這種延續千年的手法我們一般稱呼為傳統育種法(Conventional breeding）。雖然這種方法的效率極低，但是如果把時間維度放大到百年、千年，那還是可以產生可觀的效果。例如原生種的玉米和哥倫布發現美洲時的玉米在外觀上已經有了令人瞠目結舌的差異。 　　在約莫一百年前育種的方法有了新的工具。隨著科技的進展，育種專家開始採用游離輻射（例如：γ射線、X射線）或是化學誘變劑(例如甲基磺酸乙酯、硫酸二甲酯）對作物種子進行遺傳物質的逢機突變。這套方法可以得到大量的作物變異體，作為與栽培種雜交的樣本，使得育種專家不再只能靠著罕見的自然變異植株進行育種工作。這種方法一般稱呼為突變育種法(Mutation breeding）。許多現行栽種的農園藝作物就是靠著這種方法得到農園藝性狀的提升或改變。透過突變育種法所得到的農糧作物對人體健康而言，基本上是安全的，但也可能產生小插曲，對少部分的人有礙。由於喜愛麵包的彈性口感，在過去的一個世紀間，主要的小麥栽培種(Bread wheat）的麥麩含量不斷增加。而麥麩中的麥膠蛋白質(Gliadin)在經過胃蛋白酶的切解後會產生出過敏性胜肽，引發部分攝食人口的腸道免疫反應，造成乳糜瀉疾病(Celiac disease）這樣的人口比例在西方人口中約占一個百分點，這也是近年來流行無麩質食品的主要原因。 　　動植物育種的方法在西元1970後再一次獲得了犀利的工具。藉由分子生物學的進展和基因工程技術的開發，這一次育種專家可以依照主觀的意願在不同的物種之間進行基因轉移工作。以農園藝作物為例，具有基因工程執行能力的專家可以藉由農桿菌(Agrobacterium tumefaciens ）對植物組織的感染能力、或基因槍的高壓氣體推動力，將一段來自其他物種的目標基因(稱作轉基因）插入受贈作物的基因組中。再透過組培苗的培養與子代性狀的選拔，得到穩定攜帶轉基因的後代植株，因此這些植株歸類為基因改造生物(Genetically modified organism，簡稱基改作物、或GMO）。由於操作技術的因素，基改作物必然帶有轉基因和來自其他物種的核酸片段(例如胡瓜嵌紋病毒的 35S 轉錄啟動子、農桿菌 T-DNA 遺留痕跡、篩選標記基因等）；另外一項特徵就是轉基因在受贈植物染色體上的插入位點是逢機的，因此基改行為可能導致一些非預期的遺傳效應。  　　根據所設定的育種目標，轉基因可以來自任何的植物、動物、或微生物，藉此賦予基改作物新型態的性狀特徵。基改的目的也可以是調整受贈作物本身某一項基因的表現強度或表現模式。在商業化的基改作物中，最常見的轉基因有來自蘇力菌(Bacillus thuringiensis）的毒蛋白(Cry）基因和來自農桿菌的EPSPS酵素基因，前者賦予基改作物抵抗蟲害的能力(特別是針對鱗翅目和鞘翅目昆蟲之幼蟲），後者賦予基改作物耐受殺草劑嘉磷賽(Glyphosate）的能力。除此之外，其他的轉基因則賦予基改作物抵抗病毒、延遲後熟、或提昇營養價值等特性。基改作物在商業化上已取得很大的成功，例如基改玉米、黃豆、棉花、甜菜、和油菜在美國的栽種面積百分比皆已達到九成以上。除了農園藝作物外，基改鮭魚也已取得美國與加拿大政府的核准，2017 年開始販售。相對於一般鮭魚，基改鮭魚長得快，養殖時間可以縮短約一半。  　　針對基改作物可能對人體健康和環境產生不利影響的疑慮，美國國家科學、工程、醫學院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）在2016年曾經發表過一份評估報告，指出在長達20年的研究成果中並沒有證據顯示基改作物會對人體健康造成負面影響。部分證據甚至顯示基改作物有益於人體健康，例如在種植抗蟲基改作物時減少了殺蟲劑的使用量。即便如此，消費者(特別是歐盟地區的消費者）普遍對基改作物心存疑慮，反對基改作物基本上已經是一種社會風潮。也由於這種社會輿論風潮，各國政府對基改作物的栽培與販售皆訂有嚴格的審核與管理規定。以美國為例，一項基改作物的種子要在市場上販售平均耗時13年，花用的經費約在1億3千萬美元左右。而這也間接導致小型農業生技公司紛紛放棄基改作物的研發，使得基改作物的市場幾乎被超大型農業(種籽）公司所壟斷。  　　隨著次世代基因定序技術的推陳出新，重要的農園藝作物的基因組核酸序列已經陸續解開。有了全基因組資訊，育種科學家就開始思索精確的靶位突變的可行性。真核細胞對斷裂的雙股 DNA 普遍存在著兩套修補機轉，發生頻率較高的一種稱作非同源性端點黏接修復機轉(non-homologous end-joining repair mechanism，簡稱NHEJ），另外一種稱作同源導引修復機轉(homologous-directed repair mechanism，簡稱HDR）(圖一）。透過NHEJ修復後之DNA在接續點常出現核苷酸殘基刪減或插入式的突變現象(Indel mutations），導致原本的基因轉譯架構(open reading frame）出現錯誤讀軌(reading frame shifting），因此無法轉譯出正確的蛋白質胺基酸序列。如果雙股DNA斷裂點附近存在著另一段具有同源相似性的DNA片段，那也有機會透過HDR對損傷的DNA進行修復。這項修復機制可能造成同源DNA片段的精準置換或大片段DNA的刪除。所以科學家要作的干預行為就是在選定的目標基因位創造出斷裂點，接下來由細胞去完成後續的修補動作，進而產生精確的靶位突變。由於這樣的突變方法在作物的基因組上可以做到不帶有來自其他物種的轉基因或核酸片段，因此又稱基因編輯(Gene editing）。美國農業部(USDA）認為基因編輯作物在本質上不等同於基因改造作物，因此無須接受基改作物相關法規的審查與管理。這項見解極度鼓勵了科學家與農業生技公司投入基因編輯作物的研發工作。    　　科學家至今發明了三種實用的方法用來在染色體的特定位點上創造出斷裂口(圖二）。首先發展出來的是鋅指核酸酶(Zinc-finger nucleases，簡稱ZFNs）。ZFNs是人工改造的限制酶，蛋白質結構上有兩個區間。N端是一串鋅指結構(每個單元約含30個胺基酸），每一個鋅指結構上設計有對應性的胺基酸殘基，用來結合DNA靶位上特定的核苷酸殘基。一個鋅指結構可以辨識三個連續的核苷酸，因此五個成串的鋅指結構就能辨識十五個核苷酸殘基序列。C端則是源自限制酶FokI的非專一性核酸水解酶。透過串聯在一起的鋅指結構對特定核酸序列的結合，可以將FokI改變成專一性的核酸水解酶。由於 FokI形成雙體時才有活性，因此要在一個靶位基因上造成一個雙股DNA的斷裂口，就需要分別針對斷裂口的上游以及下游的對應股核酸序列設計出對應性的 ZFN。成對的 ZFNs 同時作用，就可以利用 FokI 的水解酶活性產生切口。  　　利用設計過的蛋白質結構單元來辨識特定核酸序列的另一項技術是類轉錄激活因子效應物核酸酶 (Transcription activator-like effector nucleases，簡稱TALENs）。如同ZFNs般，TALENs 也是一種人工改造過的限制酶，用來辨識特定的DNA序列，並在其上造成切口。說明TALENs之前，先簡單介紹黃單孢菌屬的細菌(Xanthomonas sp.)。這項菌屬的成員是常見的植物病原菌，能利用第三型分泌系統之奈米級針筒狀器械將致病相關效應物質(Effectors)導入寄主的細胞內，最終引發疾病症狀。有一類的效應物質具有DNA結合能力，會激活特定基因的轉錄活動，因此稱作類轉錄激活因子效應物(TALEs)。TALEs通常含有多個重複單元，每一個單元有33~34個胺基酸殘基，其中第12~13個位置上的胺基酸種類是不固定的。在這兩個位置上的不同胺基酸組合決定了所辨識的核苷酸殘基種類，例如，組胺酸/天門冬胺酸(His/Asp)辨識胞嘧啶(C)、天冬酰胺/異亮胺酸(Asn/Ile)辨識腺嘌呤(A)、天冬酰胺/甘胺酸(Asn/Gly)辨識胸腺嘧啶(T)、而天冬酰胺/天冬酰胺(Asn/Asn)則對應鳥嘌呤或腺嘌呤(G or A)。一個由 16 個重複單元組合成的TALE就可以依照各個單元的差異性設計而辨識DNA上特定的 16 個核苷酸序列。TALEN就是由N端的TALE和C端的FokI組成，透過對TALE 重複單元的設計，可以賦予 FokI 對 DNA 上特定核酸序列的水解能力。TALENs 也是成對作用，一個辨識切口上游的核酸序列，另一個辨識下游對應股的核酸序列。雖然有了ZFNs和TALENs這兩項工具，但基因編輯仍未蔚為風潮。原因之一是蛋白質結構單元與核苷酸殘基之間並沒有絕對的辨識對應關係，降低精確定位的效率。另外，每一個ZFN或TALEN都要依照靶位基因上的核酸序列作對應性的設計，增加操作的複雜性和成功獲得基因編輯作物的成本。    　　最近十年來有一項基因編輯技術迅速發展，日趨完善，它就是CRISPR/Cas9。CRISPR 是 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats 的簡稱，指的是發現於原核生物中的一串規律間隔的短回文核酸序列叢簇，在重複的回文序列之間夾著序列各異的簡短核酸片段，稱作隔間者(Spacer) (圖三)。不同CRISPR中的隔間者長度有所不同，一般在32~38個鹼基對之間，但也有極長(72個鹼基對)或極短(21個鹼基對)的例子。Cas9是Cas蛋白質家族的一員，來自化膿性鏈球菌(Streptococcus pyogenes)，在分類上屬於第二型。Cas是CRISPR關聯性蛋白質(CRISPR-associated protein)的簡稱。在染色體輿圖上，Cas的編碼基因群就坐落在CRISPR的臨近位置。在功能上，Cas是核酸酶，與CRISPR序列叢簇中多樣性隔間者的組建和後續標的基因的水解有關。CRISPR於1987年首度在大腸桿菌的基因組中被發現，當時並不知道它的存在意義。隨著微生物基因組定序的普及化，到2000年左右已經發現許多細菌(~40%)和古生菌(~90%)的基因組中存在著相仿的CRISPR家族。而CRISPR的生理功能和其作用機轉在2005~2010年之間得到釐清，它是原核生物適應性免疫反應的執行者。 　　當菌體族群受到病毒(或稱嗜菌體)感染時，少數倖存下來的個體會利用由Cas所組成的蛋白質複合體將一小段病毒DNA切割下來，再嵌入CRISPR近端(靠近轉錄啟動子的一端)的回文序列之間，成為CRISPR結構中的一個新加入的隔間者。所以CRISPR的結構組成也反應出該原核細胞族系受到各式病毒入侵的歷史紀錄。越靠近啟動子的隔間者來自越近期入侵的病毒；相反的，越遠端的隔間者代表著一個時間越久遠的感染事件。隔間者的選擇並不是逢機反應，它的下游必須緊臨一個稱作原隔間者緊鄰基圖(Proto-spacer adjacent motif，簡稱 PAM)的序列。以化膿性鏈球菌為例，它的PAM是NGG三核酸苷序列。透過常態性的轉錄活動，菌體會以CRISPR為模板，產生相對應的RNA，稱作 Pre-crRNA。Pre-crRNA再被由Cas所組成的蛋白質複合體切割，產生許多小片段的 crRNAs。每一個crRNA是由一個隔間者及其側邊的回文序列組成。當該菌體再次受到之前曾經入侵的病毒的感染時，由Cas以及crRNA 組成的[Cas-crRNA]複合體透過crRNA的導引，利用crRNA和標的DNA之間的核苷酸配對關係，找到病毒基因體中與crRNA相同(但U改為T)且下游緊鄰PAM的序列。這時複合體中的Cas 蛋白質就發揮其核酸酶的功能，在病毒基因體的這個位點上進行切割，消滅入侵之病毒。透過前次感染的印記，消除再次的感染，這就是細菌版的適應性免疫反應。除了防禦病毒的感染外，由CRISPR/Cas所組成的防禦網對通過接合作用(Conjugation)而進入細胞內的外源性質體也有清除效果。在防禦功能上CRISPR/Cas 和真核生物中用來降低病毒感染的RNA干擾機制(RNA interference，簡稱RNAi)有點相似。但是兩者在作用機轉、水解對象上不同。CRISPR/Cas主要針對雙股DNA分子，而RNAi的對象是mRNA分子。 　　根據Cas執行功能時的分子組織狀況，可將各種Cas蛋白質分作六型。Cas9屬於第二型，它的特徵是單分子獨立作業(無需其它Cas蛋白質的合作)，只要與crRNA 和另外一段獨自轉錄出來的RNA分子(RNA trans-activating crRNA，簡稱tracrRNA)組成[Cas9-crRNA-tracrRNA]複合體就能針對目標DNA進行水解。在這個複合體中，tracrRNA的5’端和crRNA的3’端回文序列配對，形成一個局部的雙股RNA結構。由於 tracrRNA是固定的序列，因此可以將依照靶位序列而設計的crRNA和既有序列的tracrRNA銜接成一條導引RNA (guide RNA，簡稱gRNA)。Cas9與gRNA 結合後，其中的gRNA會引導Cas9專一的辨識靶位 DNA。Cas9分子上有兩個核酸酶活性區，一個是位於 N 端的RuvC-like nuclease，另一個是位於中間區段的HNH-like nuclease。抓住靶位DNA 後，這兩個核酸酶活性就會對DNA進行水解，產生雙股DNA的斷裂 (圖二)。另外，Cas9如果混合以多個不同靶向的gRNAs，哪也可以在一個細胞內同時執行多個靶位點的突變。扼要總結，透過人為的設計與操作，[Cas9-gRNA]複合體可以對各種原核和真核生物進行特定DNA位點的斷裂。由於gRNA的製備相對於ZFN或TALEN的製備來的簡潔許多，產生雙股DNA斷裂的效率也比較高，因此 CRISPR/Cas9就取代了ZFNs或TALENs，成為基因編輯的新寵工具。很快的這項技術就廣泛的應用到疾病治療與植物育種上。  　　利用CRISPR/Cas9技術研發基因編輯植物時有幾種作法。推薦的一種方法是先利用大腸菌生產Cas9，並將其純化。同時利用體外轉錄系統(in vitro transcription)生產設計過的、具有特定序列的gRNA。將兩者在試管中混合，製 備出[Cas9-gRNA]複合體，再將其裹在奈米金粒子表面，利用基因槍的推動力把[Cas9-gRNA-奈米金粒子]送入植物之癒傷組織。或者，利用植物原生質體轉染(Protoplast transfection)技術，藉由聚乙二醇(Polyethylene glycol，簡稱PEG)的媒介將[Cas9-gRNA]複合體送入原生質體內。在植物細胞核內[Cas9-gRNA]複合體能夠專一性的辨識出靶位DNA，並在靶位DNA上創造出斷裂口，再藉由NHEJ修補機制在靶位DNA上創造出刪減或插入式的突變。接下來誘導癒傷組織進行分化，或誘導原生質體細胞壁重生以及組織分化。待長成再生植株後，以PCR確認靶位DNA是否已經產生突變。另外，也可以利用HDR修補機制進行精準的靶位DNA置換。作法上要額外製備出一段攜帶著變異核苷酸的靶位DNA，稱之為模板DNA (Template DNA)。將Cas9、gRNA、和模板DNA混合，共同裹在奈米金粒子表面，同樣以基因槍對癒傷組織進行轉形工作，或在聚乙二醇的協助下對原生質體進行轉形工作。在這樣的條件下，HDR修補機制有機會將野生型的靶位 DNA 置換成攜帶突變點的模板DNA。最後再以PCR對再生植株進行突變確認。由於CRISPR/Cas9所主導的突變效率頗高，所以即便不使用抗生素抗性基因作為篩選標記，仍有機會得到目標基因已產生變異的植株。利用CRISPR/Cas9技術進行基因編輯還有一項特點，由於它的高中靶效率，對偶靶位DNA 同時受到突變的機率也不小，因此有機會得到同合子基因突變植株 (Homozygous mutant)。對多倍體的植物進行基因編輯也發現數個相同靶位DNA同時受到突變的情況。通過這樣的方式所得到基因突變植株並不攜帶轉基因或外來物種的核酸片段，所以算是基因編輯植物，而不是基因改造植物。 　　另一種作法乃是沿用開發基改植物時慣常使用的技術，也就是利用農桿菌進行植物細胞轉形的技術。首先將Cas9的表現卡匣和設計好的gRNA表現基因裝載在Ti質體上；接著利用農桿菌感染植物再生組織，將攜帶Cas9和gRNA 基因的重組T-DNA嵌入受贈細胞的染色體中。在受贈細胞中表現出來的Cas9 以及gRNA會組裝成[Cas9-gRNA]複合體，攻擊靶位基因，造成雙股DNA斷裂切口。透過細胞自我的修補機制(主要是NHEJ)，在靶位DNA上產生刪減或插入式的突變。到此步驟所得到的突變植株在基因組中仍含有重組T-DNA，所以仍然屬於基改植物的範疇。接下來讓已經變異的子代植株進行自交，在基因分離篩選過程(Segregation screen)中得到攜帶突變基因但不再擁有重組T-DNA片段的後代植株，這樣的植株在本質上才算是基因編輯植物。  　　鑒於CRISPR/Cas9技術在基因編輯上的強大潛力，自2013年起相關的學術論文(包括原創報告與回顧性文章)每年皆呈現巨幅增長。利用PubMed作文獻搜尋，在 Title/Abstract中同時出現CRISPR和Cas9兩項關鍵字的文獻到2017年為止共有4470篇，同時出現CRISPR、Cas9、和Plant三項關鍵字的文獻到2017年為止則有240篇。針對植物的研究文獻有一大部分是屬於觀念實證(Prove of concept)的研究，利用CRISPR/Cas9的技術去探討目標基因在植物生理上扮演的角色。另外一部分研究則從育種出發，利用CRISPR/Cas9的技術去改善作物的營養價值、提升作物應付生物性或非生物性逆境的能力、或增加作物的產量。因為以育種為目的，這一部分的研究多會以創造基因編輯作物而非基因改造作物為終極目的。以下介紹幾篇原創研究，見證 CRISPR/Cas9在植物育種上的威力。 　　(1)改善營養價值的研究 　　小麥麵粉中的水不溶性蛋白質—特別是麥膠蛋白質(gliadin)中的2-gliadin是造成乳糜瀉的主要過敏原，而小麥栽培種Triticumaestivum的基因組中含有大約100條的2-gliadin編碼基因(含偽基因)。科學家利用CRISPR/Cas9的技術在一株基因編輯小麥品系中刪去了其中35條2-gliadin的編碼基因，使得這款小麥麵粉的過敏反應可以降低85%。馬鈴薯在高溫加工過程(例如油炸薯條)容易產生有毒物質丙烯醯胺，而丙烯醯胺的產生源自於馬鈴薯內的還原糖與天冬酰胺在高溫下產生的梅納反應(Maillard reaction)。育種科學家利用基因編輯技術降低馬鈴薯中酸性轉化酶(Acid invertase)的活性或調降天冬酰胺生合成的酵素活性，培育出較不易累積丙烯醯胺的馬鈴薯品系。也有農業生技公司利用CRISPR/Cas9的技術降低馬鈴薯多酚氧化酶(Polyphenol oxidase)的活性，使得馬鈴薯受到物理性傷害時不易褐化。蘑菇在儲放時容易褐化，所以常利用二氧化硫來漂白，影響消費者的健康。現有科學家利用CRISPR/Cas9 技術將菇體基因組中六個多酚氧化酶基因減少為五個，使得多酚氧化酶活性降低30%，創造出儲放過程不會褐變的蘑菇。植酸(Phytate，又名Inositol hexaphosphate)是玉米種子中磷酸的主要儲存形式，因此作為飼料用途的玉米含有的磷酸量很高。可惜飼養動物腸胃道並不分泌植酸酶，使得飼養動物的排泄物仍然含有高量的植酸，對環境造成嚴重的汙染。科學家利用CRISPR/Cas9刪去玉米基因組中一個Inositol phosphate kinase的編碼基因，降低玉米種子中植酸的含量。使用這款變異玉米所作成的飼料有助於降低動物排泄物對環境的不良衝擊。 　　(2)強化植物抗病能力的研究 　　許多農園藝作物受病原體感染而產生病徵是因為存在著病原體易感基因(Susceptible genes)。這些基因產物可能和病原體的感染或複製有關，或誘使植物產生病徵。透過基因編輯技術刪除或變異特定的易感基因有助於提升作物的抗病能力。由真菌Magnaporthe oryzae引起的稻熱病(Rice blast)是重要的水稻病害，每年對水稻的收成損失可達30%。植物的乙烯應對因子(Ethylene responsive factors，簡稱ERF)是一群受乙烯調解的轉錄活化因子，在水稻中它也是稻熱病的易感因子。科學家利用CRISPR/Cas9技術突變了OsERF922基因，提升水稻對Magnaporthe oryzae的抗性，但不影響水稻的其他農藝性狀。真菌Oidium neolycopersici是造成多種農園藝作物白粉病(Powdery mildrew)的元兇，而Mildew resistant locus O (Mlo)是白粉病的易感基因，此基因的產物是一個膜鑲嵌蛋白質，推估與O. neolycopersici的感染有關。番茄基因組擁有16個Mlo基因，其中SlMlo1與白粉病的感染關係最大。利用CRISPR/Cas9技術刪去SlMlo1 基因的部分核苷酸序列，發現番茄植株對白粉病的抗性顯著提升。柑橘潰瘍病(Citrus Canker)是由Xanthomonas citri subsp. citri (Xcc)所引起的柑橘類重大疾病。Xcc會分泌一個效應物質PthA4，而PthA4在柑橘細胞核內會結合到易感基因CsLOB1的啟動子區域，活化CsLOB1基因的轉錄活動，進而導致壞疽性潰瘍的產生。利用CRISPR/Cas9技術刪去CsLOB1啟動子中的PthA4辨識結合區，可以有效降低潰瘍病癥的發生。 　　(3)增加產量的研究 　　AGROS8在玉米的乙烯回應路徑中擔任負調控者的角色。在乾旱的栽培條件下所誘發的乙烯回應(Ethylene responses)會減少玉米的穀粒產量，此時如果增強AGROS8基因的表現可以削弱乙烯所造成的不良作用，回復正常的穀粒產量。科學家利用CRISPR/Cas9技術在AGROS8基因的啟動子中塞入一段源自玉米的中強度啟動子GOS2，增強AGROS8基因的表現。經過編輯後的玉米在乾旱逆境下仍然能有接近正常的穀粒產量。 　　以CRISPR/Cas9為核心的基因編輯技術是一項強大的育種技術，在時效上大幅縮短傳統育種技術所需要的時間，在本質上編輯後的植物可以不含任何其他物種的核酸片段，在本質上無異於傳統育種所得的結果。因此美國農業部認為基因編輯作物不同於基因改造作物，不必受基因改造作物審查法規的管理。截止2017年底，美國農業部已經宣告不依基改作物法規審查的基因編輯作物計有抗褐化的蘑菇、改變澱粉組成的玉米穀粒、延遲開花時間的小米、抗旱耐鹽的黃豆等。這意味著研發基因編輯作物在時間和金錢的投報率上遠優於研發基因改造作物，因此中小型的農業生技公司或學術單位也可以放膽的投入基因編輯作物的研發行列。那歐盟對基因編輯作物的看法又是如何？歐盟對基改作物的認定標準不同於美國和加拿大，除了生物產品的本(Product-based)外，也會考量技術過程的本質(Process-based)，對於基因編輯植物的審核和管理是否要遵循基因改造作物的法規辦理仍無定論，反對和擁護基因編輯技術(產品)的兩方團體尚在激辯中。不過最近有一則新聞值得注意。歐盟法院(European Court of Justice)傾向於放寬基因編輯作物的管理。或許歐盟在不久的將來也會採取美國的作法，畢竟一昧地反對新穎性的科技可能會錯過競爭時機，犧牲了農產業的發展。有關基因編輯技術的應用開發和法規管理等事務值得我們持續關注。

2018年第十屆豬隻健康管理歐洲研討會(European Symposium on Porcine Health Management，ESPHM)在5/9-11於西班牙巴塞隆納舉行，其中有五項關於大數據於豬隻健康的商業應用。 1. 監測豬隻呼吸道狀況 　　比利時的Soundtalks公司擁有許多農場動物的音頻數據，透過麥克風收集、電腦判讀與智能預警系統協助管理者或獸醫判斷豬隻所發生呼吸促迫之狀況，目前正在美國進行大規模養豬場試驗，幫助發現豬隻早期的呼吸道疾病，未來持續將相關技術推廣到肉雞、蛋雞與牛群身上。 2. 測量與改善養豬場之生物安全性的電子追蹤系統 　　MSD Animal Health與PigChamp EU合作使用了B-eSecure，這是一個用於追蹤人員於不同農場間流動的電子系統，幫助了解人員移動狀況與豬繁殖和呼吸障礙綜合症(Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome，PRRS)擴散間的關係，其測量結果可作為提升生物安全之參考，並可作為於培訓、指導和監督員工遵守生物安全規範之工具。 3. 新型豬疫苗接種裝置 　　Ceva公司展示了新一代Smartvac疫苗注射器，幫助簡化豬疫苗接種的程序，負責人能利用平板或智慧型手機上的應用程式追蹤疫苗注射速度、使用針頭數量、注射動物與操作者，所有資訊均使用簡明易懂的圖表顯現。Ceva還提供動物死後肺部評分分析，這些結果可與原始疫苗接種狀況連結。 　　Hipra公司則推出了Hipradermic無針疫苗接種裝置，此裝置可讀取疫苗瓶上的RFID晶片，得到疫苗資訊，包含藥品名稱、批號、保存期限等，還可透過藍芽與智慧型手機連接，用戶透過手機上的應用程式就能讀取疫苗接種時的相關數據。此外，Hipradermic還可經由HipraQnect系統進行管理，HipraQnect包含可讀取RFID天線、偵測疫苗接種輛的感測器及一張SIM卡，能夠自動且獨立將數據傳送至雲端保存。【延伸閱讀】開放式數據引領農業科技未來 　　MSD推出了IDAL®3G，這是IDAL系列最新的無針皮下注射裝置，採用長效鋰離子電池，能夠減輕豬隻與人在注射時的壓力，目前可配合該公司推出之PORCILIS® PRRS、PRIME PAC™ PRRS、PORCILIS® PCV ID、PORCILIS® M HYO ID ONCE、PORCILIS® AD BEGONIA等五種疫苗使用。

為了避免昆蟲啃食植株造成產量損失或傳播病害，慣行農法中會噴灑農藥驅趕或殺死農業害蟲，雖然能夠維持農作物產量，但卻因此減少其他無害甚至有利於植物授粉的昆蟲數量，例如蜜蜂。此外，殘留於環境中的合成藥劑可能因雨水沖刷而流入土讓或附近的湖泊、河川甚至海洋，影響該地區的生物多樣性，因此長期以來農藥的施用量與施用時機持續受到各方爭議。 　　考量環境永續與食安問題，越來越多人投入有機農業與研究減少農藥使用的方法；而煙草植物可自行於葉片中產生一種稱為cembratrienol的化學物質，防止害蟲靠近植株，因此德國慕尼黑技術大學(Technische Universität München，TUM)將相關的基因轉殖於大腸桿菌中，利用發酵槽大量產生cembratrienol，再使用離心分配層析(centrifugal partition chromatography，CPC)與高效液相色譜法(high performance liquid chromatography，HPLC)純化，透過實驗證實純化的產品具有良好的驅蚜蟲效果。 　　目前使用cembratrienol的定位類似於人體使用防蚊劑一般，將其噴灑於植株上只是利用害蟲對其氣味的忌避性，並無毒害昆蟲的疑慮，同時也具有生物降解性，減少累積於環境當中的風險。此外，在大腸桿菌生產過程中能夠使用輾穀廢料進行發酵，有助於循環使用農業副產物，建立對生態有利的下游加工選擇。而此研究使用CPC回收純化的方法更加節省溶劑的消耗，相關的純化方法或許可作為類似化合物純化回收的參考資訊。【延伸閱讀】研究發現糞金龜能改變土壤菌相組成有助於強化糧食安全 　　相關研究發表於<Green Chemistry>

長久以來，眾多不同的物種在地球上不斷交互影響，彼此消長達到生態平衡，然而這些生物多樣性與生態系統功能卻因人類活動受到干擾而逐漸失衡。隨著工業化及都市化程度提高，人類活動所影響之暖化程度越來越明顯，也威脅著原有物種的生長環境；一旦某地區的生物多樣性降低，對於極端氣候的應變能力也會跟著下降，因此更需要積極研究、評估與保護各地區的多樣物種及遺傳特性。然而複雜的生態系統也加深了人類研究的難度，故加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)開發新的成像工具，將成像光譜儀(imaging spectrometer)安裝在自動推車上，操作者可於機器在地面移動的同時收集周邊植物所反射的光譜，能針對單一植物進行更精細的拍攝。 　　由於植物葉片對紅外線有很強的反射效應，該團隊使用短波長紅外線範圍(400-2400 nm)的光譜測量，藉由不同植物所反射的光譜不一，提出植物的光譜多樣性，在缺乏分類學、系統發育學等資訊下，此特性可作為區分植物生物多樣性的一項選擇。此方法可以改善近距離觀察的時間成本與補足遠距拍攝之細節不足的問題，並幫助研究者深入難以觀察的地區蒐集大型景觀植物的相關資訊。【延伸閱讀】提供海上資訊服務的HiSea計畫 　　此研究結合了各項跨域技術，包含：圖像處理、植物分類、光譜數據分析、機器人移動、統計等多種專業，相關結果發表於<Nature Ecology & Evolution>。

西班牙位於伊比利半島，內陸地區主要為溫帶大陸性氣候，北大西洋沿岸為溫帶海洋氣候，東部沿岸則為溫帶地中海型氣候，除了沿海地區，境內許多地方降雨甚少，天然環境不利於農業發展；然而西班牙政府致力於推廣灌溉農業，使得原本只適合旱作的地區也能發展園藝作物。近年來配合智慧化與現代化農業發展，逐漸推行遙控灌溉與遠端遙測系統，遙控灌溉系統通常由一台主要電腦連結到各個站點，自動化控制灌溉水量，人員也可視情況修改參數進行操作，遠端遙測系統則可追蹤參數變動對作物的影響情形，提供人們調整的依據。 　　2002年時西班牙參加了第一屆國家灌溉管理移轉研討會(The 1st International Workshop on Irrigation Management Transfer in Countries with a Transition Economy)，此研討會旨在極力發展各國的灌溉農業產能，強調現代化灌溉系統之設置、經濟與用水管理制度等問題。2005至2010年間，西班牙在追求現代化灌溉技術的計畫中，設置了260個用水公會，這些系統所涵蓋的面積約占一百萬公頃；十五年後，科爾多瓦大學(University of Cordoba)的研究小組針對這些早前設置的用水公會設計調查問卷，以追蹤長期以來這些現代化灌溉系統的維持與營運狀況。 　　推行現代化之願景為，利用遠端自動控制系統降低電費成本，不僅可節省農民勞動力，且相關技術能協助有效利用水資源與能源，提升農業系統的永續性。然而，問卷調查顯示其中的15％已不再持續使用灌溉系統，而其中19％的系統無法控制一半以上的液壓閥，顯示農民在轉型至現代化的過程中勢必面臨適應期，在適應期中若無法具體看見現代化灌溉技術所帶來的良好效益，則不願意進行例行性的維護，甚至不再利用這項技術。【延伸閱讀】利用衛星遙測改善加州酒鄉的水源管理 　　為了完整建立現代化灌溉系統，政府與這些公會已付出250萬歐元的成本，未來這些標準化的設備將會全面推行至農村當中，配合長期保固與持續培訓農民以防止用戶放棄轉型；此外也將繼續推動技術更新，強化現代化灌溉系統前瞻性。

近年來，隨著規模化養殖之情形增加，豬咬尾症發生機率也越來越多，造成豬隻咬尾的原因複雜，包含營養缺乏、環境不適、氣候改變、寄生蟲或疾病感染，甚至是任何造成豬隻不安的緊迫因素均可能導致嚴重不一的咬尾症狀。被咬傷的豬可能因出血過多造成身體虛弱，或是傷口受到其他細菌或微生物感染而影響健康，而其他豬可能受到傷口附近的血腥味吸引，也攻擊同一隻受傷的豬。因此飼養者需要時常巡視觀察，盡早發現並將傷害同伴的豬隻隔離；或是在飼養環境中放置鐵鏈、輪胎等讓豬啃咬的玩具，以減少豬隻因好奇或不安而攻擊同伴的情況。 　　為了減少豬隻咬尾的情形，部分豬場會先採預防式斷尾之手段，控制好合適的飼養密度並定時定量給予營養充足之飼料；然而動物福利之相關意識逐漸上漲，越來越多地區反對實行先給予豬隻傷害的斷尾剪牙之預防性手段。有鑑於此，英國蘇格蘭農業學院(Scotland's Rural College)與愛丁堡大學(University of Edinburgh) 、Innovent Technology公司合作，利用3D攝影機與視覺演算法自動量測23組仔豬尾巴的姿勢，藉此評斷豬隻尾部的受傷狀況與受傷時間，有助於飼養管理者於豬隻受傷前期就先發現狀況，減少傷害擴大。【延伸閱讀】開發以攝錄設備自動分析系統解開蜜蜂八字舞行為背後隱含之蜜源資訊 　　相關研究發表於<Plos One>

遙測技術最早起源於登高望遠時以相機記錄大地圖像，隨著科技發展，飛機、直升機、衛星等遙測載台種類越趨多元，圖像拍攝與分析判讀技術也日益精進，有助於人類掌握環境資訊的分布情況。廣義的遙測技術是指不經接觸物體表面而取得物體、地區或現象之資訊的技術，狹義的遙測技術則是以電磁波為主要探測訊息，藉以觀測大地現象；遙測技術需考慮遙測感應能量的類別、光源、觀測對象、能量在大氣中的傳遞與干擾。 　　智慧農業的興起，將原本用於氣象或地理觀察的遙測技術應用於農業觀測，Landsat 系列衛星為美國太空總署 (National Aeronautics and Space Administration，NASA) 的地球觀測衛星，自 1972 年 Landsat-1 發射至今已持續在地球上連續觀測近40年，主要利用可見光與紅外光等電磁波光譜特性的差異收集地面圖像。而玉米和大豆是美國主要的經濟作物，準確得到作物生長的即時狀況有利於進行市場評估、作物保險、土地租賃與供應鏈物流等各種決策進行；然而過去的技術仍無法良好區分玉米田和大豆田間的差異，美國農業部在收穫後四至六個月才能提供全國玉米和大豆種植面積。 　　伊利諾大學(University of Illinois)自然資源與環境科學系分析了三顆Landsat衛星所收集2000-2015年的光譜數據，發現短波長紅外線(Short Wave. Infrared，SWIR)，對於鑑別玉米和大豆之間的差異非常有用。SWIR波段能有效反映葉片中水分含量，搭配Blue Waters和ROGER超級電腦的深度神經網路(Deep Neural Network，DNN)以學習及分析數據，就可順利區分大豆和玉米植株間的差異。【延伸閱讀】日本佳能MJ集團利用攝影相機與AI技術掌握作物採收 　　此研究所有實驗均在伊利諾州中部進行，評估哪些資訊對於訓練分類的機器學習模型最有用，以及空間和時間因素如何影響分類狀況，這項新技術可以在7月底之前(種植後兩到三個月)區分兩種主要農作物，並達成95%以上的精確度。 　　相關研究發表於<Remote Sensing of Environment>

動物體型大小除了與生長期時的食物營養成分有關，動物體內本身所帶有的基因也可能影響個體的成長狀況。HMGA2就是一種廣泛存在於哺乳類動物體內的高度保守性基因，目前已知此基因表達狀況會影響人與小鼠的個體尺寸與生長。在小鼠體內中其中一個HMGA2的等位基因失活會造成體重減少20%，兩個等位基因接失活則會使得體重減少60%，而人類HMGA2基因序列部分缺失會導致個體身材矮小。 　　北卡羅萊納州立大學（North Carolina State University）的研究人員於先前研究已發現小鼠基因 HMGA2 與 HMGA1 與體型和身體質量指數 (Body Mass Indicator) 相關，本次透過基因編輯與體細胞核轉移(somatic cell nuclear transfer，SCNT)製造出HMGA2基因缺陷的豬隻，透過26週的生長觀察，發現HMGA2-/-的豬隻體重較正常豬隻減少75%。此外，HMGA2的基因缺失影響了胎兒在母體子宮內接受的資源，若是子宮內同時存有正常與HMGA2-/+、HMGA2-/-等個體，則HMGA2-/-個體無法在懷孕期間存活，且HMGA2-/-與子宮絨毛接觸不良，顯示子宮跟胎盤間的連結較差；若子宮內只存有HMGA2-/-，這些胎兒就能存活並正常發育。【延伸閱讀】全球首例以體細胞核移植成功之複製猴 　　此項研究不但讓人們更了解動物生長發育的過程，未來也可以將相關觀念應用於跨物種的器官移植當中，藉由調控移植個體所摻生的器官大小，使其大小更符合受贈者之需求，並避免移植後的過度生長。