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農產品、水產養殖生物的「育種」，可透過傳統育種和新興的育種等不同方式。近年來新興的基因體技術「基因體編輯」（genome editing），又稱「基因編輯」（gene editing）技術，已從過往以蛋白質辨識DNA的鋅指核酸酶（zinc finger nucleases, ZFNs）及類轉錄活化因子核酸酶（transcription activator-like effector nucleases, TALENs）等技術，快速發展到以短片段RNA辨識結合DNA的CRISPR-Cas9技術。基因編輯技術能利用這些定點核酸酶（site-directed nuclease, SDN）精準切割目標基因，產生雙股DNA斷裂而誘導細胞內DNA修復機制，在連結斷裂端點時自然產生一小段DNA缺失或插入而達到標靶基因突變的精準育種。

CRISPR-Cas9技術利用單一引導RNA（guide RNA）辨識目標基因，擁有精準、高效率、易於操作、成本低的優點，目前已被運用於加速水產生物育種的開發上。

以基因編輯技術發展水產精準育種

對於子代數目多、遺傳多樣性高的水產動物育種而言，基因編輯的精準基因誘變技術可產生更多種不同性狀，並可同時進行多種經濟性狀的選育，大幅縮短選育時間。雖然這些特性也能透過傳統育種和自然過程發生，但基因編輯技術在選育新品種上可以更有效 的縮短2∼3年的時間。基因編輯技術的精準育種能增加動植物的產量、抗病力、抗逆境能力及營養價值，從而提高糧食系統的生產力、復原力及可持續性，以因應全球人口持續增加、全球環境變遷及極端氣候發生頻繁所造成的糧食與動物蛋白供應短缺的危機， 是符合聯合國永續發展目標（sustainable development goals, SDGs）的新興育種技術。

基因編輯技術能快速且精準的在生物體基因組中改變特定基因序列，從而避免因導入外源基因所帶來的健康及環境風險，達到更有效、快速培育新品種的效果。同時，若過程中未使用過外源基因，一般認為和自然突變沒有區別，因而被視為提升水產養殖產業價值有效方式 之一。另外，絕大多數水產動物因為是體外受精、具高繁殖力，再加上已建立養殖物種繁殖與幼生飼養技術，因此非常適合以基因編輯技術進行精準育種。

對養殖魚類進行基因編輯精準育種的發展重點為增加取肉率、生長速度、增強抗病力、抗逆境、性別決定、不孕的生殖限制、提高營養價值及其他有益經濟性狀。近年在模式魚種與多種經濟魚種進行精準育種的CRISPRCas9基因編輯技術，將單一引導RNA與Cas9 mRNA或 Cas9蛋白注入一個細胞期收精卵進行標靶基因突變，具有便宜、快速且精準度高等優點，成為目前經濟水產生物主要的基因編輯工具（圖一）。使用基因編輯技術在魚類及其他水產生物進行精準的基因變異，不論判斷基礎是以育種過程（process-based）或最終產物（productbased）皆無引進外源DNA，因此科學上並沒有基改生物（genetically modified organisms, GMO）的疑慮。

圖一｜淡水神仙魚基因編輯的精準育種流程。（朱慧君繪製）

基因編輯在水產生物精準育種的應用現況

因編輯技術在水生生物除了運用在模式魚種如斑馬魚（Danio rerio）、青鱂魚（Oryzias latipes）的標靶基因突變以研究牠的基因功能外，在經濟型水產生物的應用中主要包含成長促進、生殖控制的性別決定調控、不孕的應用、體色、提升養殖存活率、抗特定病毒、抗逆境及提升營養價值等。以物種來看，除了硬骨魚類的多種食用魚與觀賞魚外，尚有甲殼類、軟體動物、棘皮動物、海藻等物種的成功案例。

根據目前研究報告，已經有許多經濟水產生物主要以 CRISPR-Cas9及TALENs基因編輯技術，成功進行標靶基因突變的精準育種，至少有31種硬骨魚類。包含食用魚的黃顙魚、尼羅吳郭魚、莫三比克吳郭魚、大西洋鮭、東北七鰓鰻、南方鯰、真鯛、虎河豚、牙 鮃、草魚、太平洋黑鮪、小體鱘、虹鱒、鯉魚、美洲河鯰、南亞鯪魚、大型泥鰍、半滑舌鰨、黃鱔、大黃魚、巴鰹、銀鯽、團頭魴；觀賞魚的墨西哥麗脂鯉、淡水神仙魚、非洲坦干依喀湖慈鯛伯氏妊麗魚、馬拉威湖慈鯛美妊麗魚、蘇拉威西七彩稻田魚、眼斑海葵 魚、稀有鮈鯽、泰國鬥魚。其他還有甲殼類的長臂蝦屬脊尾白蝦、多齒新米蝦、中華絨螯蟹；軟體動物如貝類的太平洋牡蠣、太平洋鮑魚、頭足類的長鰭近海魷魚；棘皮動物的馬糞海膽、紫海膽；及海藻的褐藻水雲屬、綠藻石蓴屬滸苔等。

除了作為模式魚種的斑馬魚及青鱂魚之外，自2011年迄今各國以基因編輯技術在水產生物的精準育種蓬勃發展，在中國有14種魚種（包含11種淡水魚：黃顙魚、吳 郭魚、南方鯰、草魚、小體鱘、鯉魚、大型泥鰍、黃鱔、銀鯽、稀有鮈鯽、團頭魴，及三種海水魚：東北七鰓鰻、半滑舌蹋、大黃魚）及五種海水無脊椎動物（三種甲殼類：長臂蝦屬脊尾白蝦、多齒新米蝦、中華絨螯蟹，與兩種貝類：太平洋牡蠣、太平洋鮑魚）；日本有六種魚種（包含四種海水魚：真鯛、虎河豚、太平洋黑鮪魚、巴鰹，與兩種淡水魚：虹鱒、蘇拉威西七彩稻田魚）及一種海水無脊椎動物（馬糞海膽）、一種海藻 （綠藻滸苔）；美國有五種淡水魚種（虹鱒、吳郭魚、 美洲河鯰、墨西哥麗脂鯉、伯氏妊麗魚）及一種海水無脊椎動物（頭足類的長鰭近海魷魚）；英國有兩種魚種 （一種海水魚：大西洋鮭魚，一種淡水魚：美妊麗魚） 及一種海藻（水雲屬褐藻）；臺灣有兩種淡水魚種（吳郭魚、淡水神仙魚）及一種無脊椎動物（紫海膽）；新加坡有兩種淡水魚種（吳郭魚、泰國鬥魚）；挪威 （大西洋鮭魚）、以色列（吳郭魚）、韓國（牙鮃）、捷克（小體鱘）、印度（南亞鯪魚）、西班牙（泰國鬥魚）、德國（泰國鬥魚）、澳洲（眼斑海葵魚）等八國各有一種魚種及法國有一種海藻（水雲屬褐藻）。

增加取肉率、進行生殖控制與抗病育種

以基因編輯技術精準育種增加肌肉生長的黃顙魚、鯉 魚、美洲鯰魚、真鯛、吳郭魚、牙鮃、團頭魴、大黃魚等食用魚種及太平洋牡蠣均有成功標靶突變肌肉生長抑制素（myostatin）基因的報告發表。筆者的研究團隊在2020年也成功以CRISPR-Cas9精準突變尼羅吳郭魚 （Oreochromis niloticus）肌肉生長抑制素b（MSTNb）基因。目前已建立高取肉率「海大壯鯛一號」（NTOU Mighty Tilapia No.1, MT1）品系至F3子代。

海大壯鯛一號背部、腹部及兩側肌肉大幅增生，體高、體寬及體重也顯著增加，相較於未經成長選育的原品系，海大壯鯛一號的取肉率由約30％提高到52％，取肉率增加約20％。此外，海大壯鯛一號的雌魚與雄魚成魚均顯著具有肌肉大幅增生的高取肉率性狀，因此不需要如傳統吳郭魚養殖一樣，需以雄性素處理或不同種雜交來進行單雄性養殖。基因編輯標靶突變肌肉生長抑制素基因以增進牠的肌肉生長及飼料轉換率，此精準育種高取肉率的吳郭魚品系已分別成功在美國、臺灣、中國建立。

將基因編輯技術應用在魚類生殖控制，主要在性別決定調控及不孕控制。技術著重於標靶突變參與性別決定及發育的重要基因，以進行單一性別發育控制。許多魚類的公母有明顯性別差異，如體型大小差異或體色及形態差異。因此有些養殖食用魚會因公母體型大小差異而進 行單性養殖，如吳郭魚公魚體型大以單雄性養殖、半滑舌鰨母魚體型遠大於公魚有單雌性養殖需求。例如在尼 羅吳郭魚身上，突變雌性性別決定的關鍵基因FoxL2， 則基因型XX雌性會變性發育為雄性；反之，突變雄性性別決定關鍵基因Dmrt1，則基因型XY的雄魚會變性發育為雌魚。魚類在性別決定及發育相關基因演化出高度的多樣性，因此CRISPR-Cas9基因編輯技術成為重要遺 傳工具，可以針對不同魚種生殖腺的生殖細胞或體細胞表現的特定基因進行標靶突變，以研究相關細胞在生殖發育扮演的功能及作用分子機制。

以基因編輯技術標靶突變與魚類初始生殖細胞 （primordial germ cells, PGCs）發育相關的關鍵基因如 dead end（dnd1）、nanos3基因，使個體的同型合子突 變成為完全失去生殖細胞的不孕個體。此基因編輯的 不孕控制技術已成功在尼羅吳郭魚、大西洋鮭魚、美 洲河鯰、斑馬魚、小體鱘、河豚、黃鱔、虹鱒及淡水 神仙魚等魚種使用。不孕魚種可發展應用作為代理者 （surrogate）接受生殖細胞移植，來生產親緣關係相近 但世代時間長、不易繁殖或是瀕危魚種。例如發展以不 孕日本鯖魚為代理接受者來繁殖太平洋黑鮪魚，發展以 不孕小體鱘為代理接受者來繁殖生產魚子醬的大型鱘 魚。另外基因編輯不孕控制技術也可應用在養殖魚類及 基因轉殖魚類的不孕控制，以防止牠外逃至野外時，透 過與相同或相近魚種生殖或與其他野生物種競爭對生態 可能產生的影響。筆者團隊以CRISPR-Cas9精準突變斑 馬魚與淡水神仙魚dnd1基因以建立螢光觀賞魚的不孕控 制技術（圖二）。不過，以dnd1基因突變異型合子交配 （Aa x Aa）目前只能產生1/4基因突變同型合子（aa） 的不孕子代。如何以突變同型合子不孕成魚大量生產子 代，以符合養殖產業實際需求，仍需要突破加以克服。

水產病毒性疾病為水產養殖產業發展的重要瓶頸。以基因編輯精準突變病毒感染或致病的關鍵基因進行抗病育種，可快速建立抗特定病原（specific pathogen resistant, SPR）的抗病品系以提高魚類的養殖存活率及減少藥物使用。基因編輯在水產抗病育種具有極大發展潛力，目前已有基因編輯成功抗草魚里奧病毒（grass carp reovirus, GCRV）及大西洋鮭魚抗傳染性胰臟壞死病毒 （infectious pancreatic necrosis virus, IPNV）的例子。

借鏡日本，基因編輯水產動物產業化案例

目前已取得上市許可的基因編輯水產動物，包含阿根廷的FLT 01基因編輯吳郭魚、日本的高取肉率基因編輯真鯛（Pagrus major）、與快速生長虎河魨（Takifugu rubripes）等三項。第一項為可增進肌肉生長及飼料轉 換率的FLT 01基因編輯吳郭魚，為Intrexon公司與集團 下的水賞科技（AquaBounty Technologies）共同開發，透過基因編輯的方式，突變肌肉生長抑制素基因可提高 14％飼料轉化率、提高16％生長速率，並增加70％產 量。此魚種於2018年時經阿根廷國家農業生物技術諮詢委員會（CONABIA）認定，因為不含任何外源基因， 所以能夠免除基因改造地法令規範，無須受法令監管， 但目前尚未上市販售。第二項的高取肉率基因編輯真鯛 是由日本京都大學與近畿大學合作團隊所開發，也是透過基因編輯的方式突變真鯛的肌肉生長抑制素基因，以 取得高取肉率的魚種。第三項則為同一團隊利用基因編輯來突變食慾調節訊號瘦體素受體（leptin receptors） 基因的快速生長虎河魨，藉此產生食慾旺盛並快速增加 體重，以生產出快速生長的虎河魨。研發團隊在京都市 成立新創公司Regional Fish後，將高取肉率基因編輯真 鯛進行上市申請。於去（2021）年9月獲得日本厚生勞動省批准後，隨即於同年10月針對快速生長的基因編輯 河豚提出上市申請並獲得准許。公司隨即將這兩項產品分別命名為「22世紀鯛魚」與「22世紀河豚」，並進行上市規畫與銷售。

日本與臺灣同為水產消費大國，並且都具有強大的水產養殖生物科技研發能量。日本雖為基改法規嚴格管理的國家，但學界及政府都認為基因編輯技術在精準育種具有龐大的產業發展潛力。因此日本在基因編輯法規上超前部署，制定明確且兼顧產業發展與生物安 全的制度，並同時在科學教育及認識新興科技上，主動與民眾溝通、宣導、注重民眾知的權利。去年日本已經有三種基因編輯食物上市，包含：高GABA營養 素含量的基因編輯番茄、高取肉率的真鯛魚、加速成 長的虎河豚，三者分別於去年9月、10月、11月以新創公司及新商業模式推廣上市，獲得日本市場的正面迴響。日本政府及學者專家在精準育種法規制訂上的前瞻性與推廣經驗，以及鼓勵相關新創產業的發展，相當值得臺灣借鏡與學習。

英國的遺傳技術法案， 消除新興精準育種障礙

2020年英國脫歐以後，在歐盟之外可以自由制定符合英國最大利益的規則。英國政府環境、食物暨農業事務部 （Department for Envrionment, Food &Rural Affairs）於今（2022）年5月25日向國會提出「遺傳技術（精準育種）法案」﹝Genetic Technology (Precision Breeding) Bill﹞立法，若經國會通過，將消除研究新興精準育種的不必要障礙。該法案將促進精準育種動植物的開 發，這將推動英國經濟增長並吸引對農業食品研究和創新的投資。

臺灣的農業基因體學與分子遺傳技術的研發如英國樣有豐沛的基礎量能，但仍未有基因編輯的精準育種法規。雖然國際間已有愈來愈多基因編輯技術衍生作物與食品上市，各國主管機關也都同意基因編輯技術其實具有提升人類健康、食品與農業生產的潛能，但若監 管政策無法跟上，則可能成為產業發展的阻礙。歐盟（European Union, EU）目前雖然仍將基因編輯以GMO法規管理，但歐盟執委會（European Commission）已於去年4月29日公布「歐盟法律下之新興基因體技術現況」報告，認可以基因編輯的新興基因體技術來進行精準育種「符合綠色新政核心策略，轉型永續性糧食體系；風險等同傳統育種，不應視為GMO監管；應使民眾多了解，收集民眾意見加以評估」。

圖二｜基因編輯技術應用於基因轉殖螢光斑馬魚的不孕控制（朱慧君繪製）

當國際逐漸認可基因編輯的精準育種對農業發展具有巨大潛力且能兼顧糧食安全與民眾食品安全，臺灣應該趕上國際的發展趨勢往前邁進！臺灣政府與產業界若能正面看待此精準育種技術，並在國際調和的基礎上進行法規制定與適當監管，才能促進精準育種動植物的開發、市場及新創產業，有效推動農業生物科技人才與產業發展及經濟增長，並吸引國內外資本對農業研究與創新的投資，以增進臺灣在農業及水產養殖的國際競爭力。

本文改寫自〈基因編輯技術在水產精準育種之應用〉專文

延伸閱讀
1. 台灣經濟研究院（2021年）。基因編輯技術科普知識手冊。
2. 龔紘毅（2022年9月14日）。新興基因體技術在「精準育種」的發展趨 勢。工商時報。名家評論科學家新視野。
3. 龔紘毅等（預計於2023年出版）。基因編輯技術在水產精準育種之應 用。精準育種農業科技之應用及發展。國立中興大學出版。
4. Food and Agriculture Organization of the United Nations. (2022). Genome editing in aquaculture. Bangkok.