中研院分子生物研究所余淑美院士，从小对农村和农作物就有浓厚的感情。踏上研究之路后，她以水稻为一生悬命的研究主题。处处用心、事事认真的余淑美在水稻的基因研究成就斐然，获邀参与盖茨基金会资助的“国际C4水稻计划”长达十年之久，致力于打造抗逆境、高产量的超完美水稻品种，解决越来越急迫的全球粮荒，也让台湾的水稻基因研究在国际占有一席之地。
“这是非常困难的挑战，大多数植物学家都觉得做不到，压力很大”，余淑美院士说：“可是如果现在不做，就永远没有机会。”这位中研院院士口中的不可能任务，就是“国际C4水稻计划”。
这个庞大的计划，终极目标是打造出高产量的“超完美稻米”，以喂饱全世界不断增加的人口──目前世界人口已经超过77亿，预估2050年会超过95亿。想要喂饱这么多人，粮食需要再增加60%！然而，土地大量开发、水资源不足，全球气候环境恶劣，现有粮食增加速度已追不上人口增加速度。
在科学家谋划的蓝图中，这种超完美稻米与我们现在栽种、食用的稻米截然不同，将会是“C4型”的植物，能够高效率利用太阳能，使用较少的水和肥料，却能有很高的产量。
等等，什么是C3、C4型植物？
大家都知道植物会行光合作用：利用阳光把空气中的二氧化碳和土壤中的水转成糖类。C3型植物，意即光合作用转化二氧化碳时，最先产物为三碳化合物，如水稻、小麦、大豆、马铃薯等等；C4植物的最先产物则是四碳化合物，如：玉米、甘蔗、高粱、芒草等。重点来了！C3型植物行光合作用的效率没有C4型那么好，也比较耗水。国际C4水稻计划，简言之，即是把属于C3型植物的水稻改造成C4型植物。
C3植物，意即光合作用转化二氧化碳最先产物为三碳化合物，C4植物最先产物则是四碳化合物。C4型植物的叶片中具有特殊的组织结构，以及复杂的酵素生化反应，可以让二氧化碳更有效率地转换成糖类，并且减少在蒸发作用流失水分。换句话说，以同样的水量灌溉，C4植物可产生的糖比较多。国际C4水稻计划，简言之，即把属于C3型植物的水稻改造成C4型植物。
“这个任务必须改变水稻的组织构造，以及它所进行的生化反应”，研究水稻基因超过30年的余淑美解释：“其中涉及太多基因，要把水稻完全改造成C4型，真的难如登天！”不过余淑美始终坚信，有做就有希望。
因为在漫长的演化长河中，C4型植物就是从C3型演化过来的，换句话说，C3型是C4型的祖先。如果以人为的方式加速水稻往C4型植物演化的路径，或许可以把水稻的光合作用模式调整成人类需要的样子，解决未来粮食不足的困境。
以田间试验评估转殖成效
国际C4水稻计划，一开始全世界共有二十多个实验室参与，随着计划一期一期推动，越来越聚焦，到了第三期时（2015~2019年）剩下12个实验室。2019年12月1日进入第四期（2019~2024年），只剩7个实验室参与。余淑美率领的研究团队于2009年获邀加入，至今已经坚持参与超过十年，义无反顾继续前行。
（Source：余淑美）
最近的第四期计划，余淑美的团队负责两个项目：一个是从“台湾水稻突变种原库”筛选出与C4型光合作用相关的重要基因，另一项工作则是把C4型的光合作用基因转殖到水稻，种植在田里，然后评估这个基因在水稻上是否有类似在C4植物时的功能、可否提高光合作用的效率。
“水稻转殖之后，一定要到田里去种”，余淑美表示，因为要试验的水稻数量很多，光靠生长箱或温室培养是不够的，而且生长箱或温室的环境非常稳定，没办法看出真正的农艺性状，必须回到田里，经过自然环境日晒风吹雨打的洗礼，才能显现真正的性状。
余淑美（右二）以及来自国际稻米研究中心的C4计划第一到第三期的总主持人（右一）、国际稻米研究中心访问学者（左二）、学生罗舜芳博士（左一），于水稻实验水田旁合影。
借重“水稻突变种原库”的经验
余淑美之所以能被国际C4水稻计划委以重任，主因为团队水稻基因转殖的技术非常纯熟，执行田间农艺性状的评估已有十多年的经验，这都要归功于余淑美于2002年开始领导集成各个单位创建的“台湾水稻突变种原库”！
时间回到1993年，余淑美与博士班学生詹明才（现为中研院农业生物科技研究中心研究员）成功完成全世界第一个利用农杆菌转殖水稻基因！此法便宜又快速，突破了水稻基因转殖的瓶颈，目前已被广为使用。
台湾水稻突变种原库，即利用农杆菌制造基因突变的水稻，作为研究水稻基因功能的材料。余淑美解释，水稻大约有四万个基因，想知道每个基因有什么功能，最简单、快速的方法就是制造突变：破坏基因或是促进基因表现，让水稻出现不一样的性状，借由性状的改变来探讨基因的功能。
举例来说，如果利用农杆菌在水稻的基因体插入一个基因，制造突变，结果水稻长得很高，我们就知道这个基因与水稻生长的高度有关，由此着手研究，很快就能找到调控水稻高度的基因。
成立至今，台湾水稻突变种原库已制造、累计十万多突变株，创建6万笔突变基因资料，成为全世界科学家研究水稻基因功能的宝库。
“创建水稻突变种原库是一项非常艰巨的任务”，余淑美回忆：“需要很多经费、很多人，和长时间的投入。”因此她迟疑了两年，眼看基因功能研究已是全球挡不住的趋势了，台湾如果再不跟上潮流，水稻基因研究就会一蹶不振，失去竞争力。她决心放手一搏！
余淑美四处争取经费，费尽心力集成中研院、国科会、农委会、中兴大学等单位的资源，终于完成这项不可能的任务。目前，全世界只有韩国、法国、中国和台湾有类似的水稻突变种原库，台湾虽然起步晚，花费的经费也比别人少，却是目前品质最好的。
台湾水稻突变种原库利用农杆菌转殖技术，制造出基因缺失或活化的水稻突变株，并保存突变水稻的种子，开放全世界申请，作为研究之用。
水稻长得好的秘密基因
除了优异的转殖技术与丰富的田间试验经验之外，余淑美常年专注在水稻抗逆境生长的基因研究，也是受到国际C4水稻计划肯定的原因之一。像2019年，余淑美的团队就破解了水稻糖浓度的调控机制。
“人体内的血糖要维持一定的浓度”，余淑美说：“植物也一样，糖的浓度维持一定范围，才能长得好。”
水稻主要是利用α-淀粉水解酵素（α-amylase）将淀粉分解成糖。余淑美团队的研究发现：缺糖时，水稻利用调控因素MYBS1促进α- 淀粉水解酵素产生，把存储的淀粉分解成糖；糖浓渡过高时，则利用MYBS2来抑制α- 淀粉水解酵素的产生。两种机制互相协调，让水稻的糖浓度维持正常范围。
余淑美团队的研究发现：缺糖时，水稻利用调控因素MYBS1促进α- 淀粉水解酵素产生，把存储的淀粉分解成糖，让水稻的糖浓度恢复正常；糖浓渡过高时，则利用MYBS2来抑制α- 淀粉水解酵素的产生。（Source：余淑美）
当植物遭遇干旱、高温、病菌感染等逆境时，往往呈现糖浓度太低的状态，就是抑制MYBS2，让α- 淀粉水解酵素大量表现，维持体内糖浓度的平衡来抵抗逆境。
了解这个机制后，她利用基因编辑技术控制MYBS2及α- 淀粉水解酵素的表现，果真增加水稻的生长效率、耐逆境，而且维持高产量。
从世界看台湾
“加入国际C4水稻计划这样的团队，学到非常多！”余淑美说：“而且经费比较充裕，海外的博士生、博士后研究员等素质又好。”相较之下，台湾研究人才的量和质一直在下降，“缺乏人才”已成为参与国际计划最大的困难和挑战。
余淑美认为政府在这其中扮演非常关键的角色，“很多部分靠我们自己努力，还可以克服，一旦涉及到政策，真的无能为力。”政府不鼓励基因转殖作物、不重视农业生物科技，相关科系毕业之后找不到工作，自然没有学生想念──没有出路、没有新员工，台湾的研发能力怎么深耕？
为了让世界免于饥饿，国际C4水稻计划要逆天打造全新形态的水稻；以米为主食的台湾，农业研究是不是也该行所当行，开创新生机？！
（本文由研之有物授权转载；首图来源：pixabay）