近年台湾生物科学研究概况

张起燕

近年研究方向及重点

近年来，台湾生物科学推动的方向仍以探讨生命现象的基础研究为主，研究范畴涉及由分子至个体层级探讨生命现象的运作到生物与自然的交互作用。自2012年起，台湾科技主管部门资助生物科学专题研究计划除了原有的生物生化及分子生物、动物及植物等三个学科外，又增加一门仿生学。

根据近日台湾科技主管部门下属“生命科学研究推动中心”发表的报告，2015年岛内共有346项生物科学类个人型研究计划提出申请，其中有191项属于生物化学领域，67项属于动物学领域，53项属于植物学领域，12项属于仿生学领域，申请计划的通过率平均为42%。

目前台湾生物科學基础研究重点包括：分子及细胞生物学、蛋白质的结构与功能、细胞核结构与功能研究、细胞互动与信息传递、发育生物学、遗传与生物发育、神经与认知科学、植物生长与发育、生物逆境学、动/植物与环境之互动、动/植物及微生物生化及代谢体体学、蛋白体及基因学、化学生物学、醣类科学、结构生物学及分子生物物理学等，大体而言尚能与国际研究发展趋势接轨，论文品质也不断提升，进步明显。

在生物多样性领域，2015年台湾科技主管部门共资助计划174项，其中一般型研究计划有121项、整合型计划6项（含29个子计划）、双边对外合作研究计划3项（均为台俄合作）和两岸合作研究计划8项。补助的计划中与分子遗传、基因和天然物开发相关的有55项，系统分类及亲缘地理的计划有45项，生态研究的计划则有49项。整体而言，学门的论文发表及质量都有提升。

来自台湾科技主管部门下属“生命科学研究推动中心”的报告承认，近年来由于岛内大学师资人数/研究人口大幅增加，使得研究计划申请件数暴增，令一些极具潜力的计划在激烈竞争下，失去获得台湾科技主管部门资助的机会。此外，不乏新人在超过新人阶段后即因竞争不过研究成果优秀的资深老师而落败。目前除了台湾中研院的研究员外，一般学校教师若无法获得台湾科技主管部门计划补助，即立即失去所有资源，使研究无法继续进行，研究生也顿失依靠，不但重挫未来人才的培育系统，也造成这些研究人力浪费。

如今，生物科学的发展越来越依赖高科技生物研究仪器与分析技术，包括先进的高通量测序仪、高解析液相层析仪、介面分子高定义分析质谱仪系统、X光绕射仪、蛋白质晶体筛选仪、代谢体核心实验室与影像分析核心实验室等。2009年起，台湾科技主管部门为配合“生技起飞钻石行动方案”，特专门公开征求岛内公立大学提出充实生物科技研究共用仪器设备的申请，共补助岛内23所高校，大幅提升了台湾生物科技的国际竞争力。

与10年前比，台湾生物科学研究有明显进步，相当多的实验室都能够稳定做出扎实的研究，每年有数量稳定的论文发表在各领域的重要期刊上。部分实验室近年来研究成果丰硕，在国际上具有重要地位，陆续有论文发表在顶尖期刊上。这些论文大部分出自中央研究院的实验室与研究型大学。

台湾生物科学研究项目中，不少已获得科技整合创新结果。例如开发新一代高通量测量蛋白质降解速率技术，建立崭新的药物开发平台；利用纳米线对离子浓度变化的敏感性，开发以往技术所无法达成的技术平台，使研究人员在神经细胞膜上可通透钾离子的相关通道开启时，便可探测到钾离子的出现，并测得其实际浓度。此相关研究除有助了解神经兴奋活性的机转外，更可应用于相关疾病如癞痫等的研究，解出植物焦磷酸水解酶蛋白分子结构。该成果除了让科学家了解植物代谢物再利用的机制，也可应用在也具有焦磷酸水解酶的破伤风杆菌、牙周病菌及螺旋杆菌等病原菌的抗菌标靶药物的研发。

在经济效益方面，台湾生物科学研究课题中，不乏具有许多成果具商品化价值，例如提高农作物硝酸盐吸收力，研发能抵抗病原菌的作物，建立崭新的药物开发平台，培育抗病毒种虾病，开发原菌前标靶药物等。

此外，部分成果也可提升人类的福祉，例如植物的硝酸盐感应机制的研究成果，有助于农业育种，或是利用转基因技术来改良作物竞争硝酸盐的能力；解析人类病理与生理作用机制，如老化相关的问题；说明胎儿防御与母体ABO血型不相容而产生溶血症的分子机制；探究细胞自噬作用与癌症或神经退化等人类疾病的关联性等。

代表性成果

近年台湾科学家在生物科学取得代表性成果有：

小核仁RNA是一类小型RNA分子，可引导核糖体RNA或小核RNA的化学修饰（如甲基化）；这些化学修饰可以影响核糖体以及剪接体的活性。2008年，台湾中研院植物暨微生物学所研究团队在进行资料库分析时发现，小核仁RNA的两端最常有相对应小型RNA分子的出现。他们根据这个发现，发展出一个生物资讯运算法则，用以注解阿拉伯芥中的小核仁RNA基因家族。该研究成果显示，有效分析小型RNA资料库可以应用于发现新的小核仁RNA基因，并且可以增进现有小核仁RNA基因注解的正确性。

鳃为鱼类因应酸碱及盐度变化的主要器官。鳃上一群特化的离子调节细胞——富粒线体细胞则负担了主要的离子运输功能。近年来，台湾中研院细胞与个体生物学所研究人员以斑马鱼为研究对象，在稍早的研究中发现，斑马鱼的皮肤及鳃上存在3型离子调节细胞，分别是富钠钾泵细胞（NaR细胞）、富氢泵细胞（HR细胞）及钠氯共同运输蛋白细胞（NCC细胞）。其中HR细胞负责氢离子的排除，因而被认为与酸性环境的适应有关。2009年，他们针对果蝇转录因子在斑马鱼中的同源基因（zgcm2），研究其在斑马鱼HR细胞分化及功能调节中所扮演的角色，发现不但氢泵的表现受到抑制，斑马鱼表皮的HR细胞也完全消失；此外，体表的氢离子浓度也随之下降，证明zgcm2的弱化抑制了HR细胞的分化及生理功能。本研究首次证明斑马鱼成体细胞受到酸性环境刺激时，通过与胚胎发育时期相同的细胞分化机制进行生理功能调节。

水稻是唯一耐水淹的主要作物，但是分子机制一直未被了解。2009年，中研院分子生物所余淑美发现“蛋白激酶”（CIPK15）为调控水稻耐水淹的关键基因。当水稻种子在水淹状态下，将缺氧信息传递到CIPK15，接着再调控细胞内具有监测能量多寡及感应逆境的多功能蛋白激酶（SnRK1A），然后通过糖信息传递途径在水稻种子内大量制造淀粉水解酶，将淀粉转化成糖，同时大量制造酒精脱氢酶，将糖发酵产生能量，使种子有足够碳水化合物及能量而能够在水中发芽。俟小苗快速生长至水面可以呼吸更多空气后，根部以同样原理制造碳水化合物及能量，而使植株可在半淹水稻田中生长。其他谷类作物及杂草并无这些能力，因此无法在水中发芽及生长。这个发现揭开数千年来所有谷类作物中，只有水稻种子可在水中发芽及成长的秘密，对于目前全球种植水稻以水淹方式防治杂草，以及其他耐淹水作物的育种都有重大影响。

肥胖不但造成个人罹患心脏及糖尿等慢性疾病的机会，也耗费掉大量医疗资源。不少尝试减肥，常发现其努力减去的体重会在短期内恢复。为了进一步探讨复胖的生理原因，2011年，中研院分子生物所研究人员利用线虫动物模式并设计一连串体内实验，进而证明复胖是与脂肪组织的代谢能力被引发有关。研究发现，类胰岛素生长因子及其信息传递链在受到饥饿压力时能激发细胞内生物合成效率，被激发的生合成效率将促使细胞在重新获得能量时，能够快速制造并储存脂肪，故能在较短的时间内，囤积比原本储存量更多的脂肪，造成再次制造储存的脂肪超过原先因饥饿所流失的量。

酵母菌因应不同的環境逆境会引发一个全面性的基因表现变化，称为“环境逆境反应”，这对于生物个体的存活非常重要，并且进而能对于不同的逆境压力达到保护细胞活性的作用。2013年，台湾中研院植物与微生物研究所罗椀升发现，组蛋白去甲基酶Rph1参与许多环境压力逆境反应相关基因的表现，主要机制是通过直接结合启动子区域作为转录抑制因子。在许多Rph1调控的基因启动子都可以发现类似逆境反应序列（STRE）的辨认序列5'-CCCCTWA-3'，在DNA损伤和氧化压力的逆境下，Rph1会离开染色质以促使转录活化因子启动基因表现。此研究结果证实组蛋白去甲基酶Rph1作为转录抑制因子的调节作用，并显示Rph1可能扮演着多种逆境讯号的调节柩纽，帮助细胞有效地因应不同的环境逆境。

2012年，台湾中研院生物多样中心王忠信藉由红火蚁基因的研究，发现在红火蚁的基因中，有一段含有600个以上基因的区域，无法进行基因重组，此区域被称为“超级基因”，而此“超级基因”所在的染色体即为“社群染色体”，其特性与人类的两种性染色体X与Y十分相近；也就是说，个体的表征与行为，会由其染色体的组合（XX或XY）来决定。单蚁后族群的个体仅带有一种社群染色体（如雌性的XX染色体），而多蚁后族群中的个体则带有两种社群染色体（如雄性的XY染色体）。这些不同社群染色体的组合，造成了单蚁后或多蚁后族群中的蚁后与工蚁的行为与特征的差异。

光是植物生长环境中相当重要的因子之一。植物可以通过不同光敏素的光接受体来感受自然环境中光的波长、强度、方向和光周期，调控从种子萌发到开花结果的整个植物生长发育。2013年，台湾大学植物科学研究所吴克强以模式植物阿拉伯芥为研究对象，探讨植物组蛋白去乙酰化酵素HDACs参与调控植物生长发育的分子机制，发现组蛋白去乙酰化酵素HDA15可以和光敏素结合因子其中之一的PIF3结合，调控下游基因表现。在黑暗情况下，PIF3会结合在其调控的基因启动子，并和HDA15结合，通过HDA15的去乙酰化作用将该基因染色质上的乙酰基移除，抑制该基因表现。光照后，光敏素会进入细胞核和PIF3结合，促使PIF3快速被蛋白酶体分解，同时HDA15也会离开该基因，进而促进基因表现活化，包括叶绿素生合成以及光合作用。这些结果显示植物叶片的发育受到表观遗传的调控，产生各种不同型态的叶片外观。

中山大学江友中以多基因分析苏铁属亚洲分布的东方苏铁组、韦德苏铁组和叉叶苏铁组种化历程研究，利用AFLP全基因组扫描技术和多基因序列矩阵进行遗传混杂程度评估，发现各个物种间具有一定比例的共有性遗传组成，显示物种间因为共享祖先多型性或是种化后仍有基因交流未中断现象所造成，物种分歧时间与第四纪更新世冰河时期时间交迭，推测由此环境变迁导致物种迁移、灭绝与扩散。台东苏铁与琉球苏铁二物种与祖先物种的有效族群大小差异显著，显示二物种在种化后应经历瓶颈效应，造成有效族群下降现象，基因交流方向为由琉球苏铁流向台东苏铁，显示此二物种在物种形成后因持续的基因交流现象导致至今仍维持并系群亲缘关系。

成功大学李亚夫开展行为适应与翼手目群聚结构的功能性研究，以恒春半岛低海拔热带林区栖息的食虫性蝙蝠群聚为对象，期间更增加实验地，跨海到日本西表岛收集岛上3种食虫性蝙蝠资料，研究这些蝙蝠种类在体型、翼形、头颅形态、使用超音波结构的特质等一些重要生态形值上的差异，并与其飞行模式、觅食方法、食性、环境选择连结，探讨蝙蝠超音波的演化适应，并分析评估恒春半岛低海拔热带林中二种定频蝙蝠（蹄鼻蝠与叶鼻蝠）对于栖地利用的弹性以及对边缘栖地的敏感度。

台湾海洋大学林绣美开展海洋红藻海索面目分子亲源关系、囊果胚胎发育和生物地理学研究，利用分子序列分析以及囊果胚胎发育比较，发现粉枝藻科的藻种多样性较过去的纪录高出许多。目前的研究成果已陆续发表，包括来自台湾粉枝藻科的4个新属以及3个台湾新纪录种以及5～10种有待正式发表的疑是世界新种。截至目前，台湾粉枝藻科藻种多样性已增加至15属30种以上。此研究除了在增进海藻多样性在台湾的分布及藻种丰富度之外，也由粉枝藻科藻种多样性的研究证明，台湾红藻多样性的分布热点主要为台湾南部屏东县车城乡海口村至东南方的风吹沙沿海的浅海区和在东南方的离岛兰屿。研究成果除了在学术上证明台湾海藻相为西太平洋的热带区的分布热点之外，也可作为规划海洋保育区政策的参考。

生物多样性

在生物多样性方面，台湾科技主管部门下属“生命科学研究推动中心”每年都会规划不同的研究重点。例如2012年的研究重点以珊瑚礁为主，在台湾海域划出5个生物多样性热点。2013年的研究重点则主要是针对陆域动物。目前台湾陆域动物的分布资料中较详细的为鸟类、蛙类、爬虫类和蝶类，从这四大类动物先分析潜在的热点地区，资料分析现正进行中。资料分析完成后将邀请岛内相关动物类群的专家学者举行陆域动物生物多样性热点制定会议，以求能达成共识，制定至少3个陆域动物的生物多样性热点。在陆域动物生物多样性热点订定后，将以相同模式推动陆域植物生物多样性热点的工作。

由台湾科技主管部门与农业主管部门所补助中研院生物多样性中心建立“台湾生物多样性资讯网”（TaiBIF）、“台湾物种名录”（TaiCOL）及“台湾生命大百科”（TaiEOL），以推动跨“部会”生物多样性资料的搜集与整合为目标，同时也采用国际惯用资料库标本、资讯通讯协定与软件工具，分别与GBIF（全球生物多样性）、COL（世界物种名录）及EOL（生命大百科）等国际组织进行交流和实质合作，目前已取得的重要成果包括：

“台湾生物多样性资讯网”（TaiBIF）为GBIF台湾节点之一，负责推动及整合台湾生物多样性资料并与国际进行资讯交换及接轨。在导入Darwincore、TAPIR及IPT后已完成跨“部会”的资讯基础建设，并整合台湾大部分标本馆资料及机构的生态调查资料，目前共有8个资料提供者、32个资料集及251万份资料可在TaiBIF网站提供查询。

“台湾物种名录”（TaiCOL）迄今已收录病毒495种、细菌1439种、古菌6种、原生生物1359种、原藻1944种、真菌6232种、植物8545种、动物36824种，总计1+7界、59门、143纲、667目、3，260科、18，989属、56，844种，外加76，185份同种异名，大致上已经涵盖台湾地区大部分的物种，目前仍在持续增修中。

自2012年9月TaiBIF团队与EOL签订合作备忘录后，截至2014年8月，TaiEOL已提供中文解说2，827种与照片资料2，850份，同时邀请EOL资讯小组组长Nathan Wilson来台演讲，并讨论双方定期资料交换的格式与运作。目前繁体中文界面已于10月正式上线，日后将规划持续翻译EOL网站中与计划推广及生物多样性相关的内容。TaiEOL网站目前已累计收录文字资料11，403种及照片15，518张。

“台湾生命大百科”（TaiEOL）收录台湾物种中文解说资料与各种与物种相关之多媒体资料，已于2011年10月与国际EOL正式签约合作。2014年TaiEOL提供台湾鱼类资料库2，827种鱼类解说与2，850张鱼类照片给EOL，已经可以网上查询，资料也得以通过国际平台与世界各国和地区专家民众交流。

台湾作为GBIF的会员之一，长期耕耘与参与相关的活动，配合GBIF建立区域支持能力，从2012年起陆续办理“亚太地区工作坊”，有机会促成与邻近国家和地区更多实质交流合作。

2013年编纂完成并正式出版的生物志共2册，包括《台湾藤壶志II》和《台湾真菌志》第二版，共包括有1620种，在先前累积的基础上更进一步增进对台湾各类生物资源的了解。各册生物志除了提供各类群生物的正式学名、中文名、异名、形态描述、鉴别特征、地理分布等基本资料外，并附有绘图或彩色照片，且提供目前已知最新的生物学资讯，以方便比对并提供作为生物多样性及相关领域研究及应用之参考，具有非常重要的应用价值。

在开展生态复育方面，台湾研究人员正在研究废弃盐田的生态复育策略。以台江公园盐田文化村为例，在台南市七股区至安平区海堤沿线进行植物族群组成调查，总计维管束植物63科、206属、325种，其中以禾本科（45种）、豆科（44种）、菊科（31种）、莎草科（23种）及大戟科（21种），占总数的一半，区域内包括数量稀少的流苏菜、老虎心及变叶立牵牛等，范围内包含多处农耕地及废弃耕地，发现外来种及归化种族群种类显著增加，如菊科的红花、大戟科的蓖麻、豆科的刺轴含羞草等。这项研究还提供了该区域内适合种植植物的建议。

另外，台湾研究人员还开展森林多样性对于土壤微生物族群结构的影响调查，已确定全台湾森林土壤微生物多样性监测地点，并在后龙海岸林、桶后溪针阔叶林、鸳鸯湖桧木林、莲华池试验林、塔塔加森林及草原、合欢山森林及草原等各处样区，采用16SrRNA基因库和焦磷酸测序技术比较各生态系土壤微生物的族群结构，并藉由生物多样性资讯交换机制与各类或各机构数据库的建立与整合，定期增修补充各项数据库的内容。迄今以基因库技术共获得3，436条序列，以焦磷酸测序技术则获得252，800条序列。

未来台湾科技主管部门除继续鼓励研究人员在既有基础上进行个人（自由）型前瞻创新研究外，也将积极推动尖端计划、跨领域整合型计划及任务型导向计划，针对重要生物议题如微型核醣核酸调控基因网络及其在生理与病理上的功能角色、正常生理及逆境/疾病生理状况下的细胞代谢体学、逆境生物学及其基因调控网络、神经及认知科学等进行深入研究。

台湾科技主管部门下属“生命科学研究推动中心”发表的报告认为，台湾的研究人员薪资比日、韩、新加坡与香港等地要低许多，不利于台湾争取国际级杰出人才。与日、韩等国相比，台湾投入生物科学发展的经费相对偏低。台湾在研究经费的增幅跟不上研究人口的增幅，造成研究经费普遍不足。加上岛内近年来广设大学，需要许多师资，使得许多年轻人才尚未积累足够的经验与独立研究能力，就可以获得教职，也因此导致台湾一些年轻研究人员缺乏国际经验，研究竞争力薄弱。

在亚洲，台湾的基础生物学研究远远落后于日本，比起韩国及中国大陆的科学提升速度，台湾也不及。这种现象若持续发生，将会影响台湾在这方面的竞争力与发展空间。

近年来岛内学生赴海外深造的比例降低，间接影向岛内研究人才的国际视野及国际交流活动，降低学术竞争力。相比于临近亚洲国家和地区积极国际化的现况，台湾国际化脚步程度偏低。特别是在生物多样性研究方面，台湾得天独厚，位于全球生物多样性最高的地区，且四面环海具有高山深海，故生物多样性丰富且涵盖多样区系的生物，且约四分之一的物种为台湾所特有，全球重要生态系统几乎都可以在台湾发现，包括珊瑚礁、红树林、海草床、舄湖、海底热泉、深海、湿地、湖泊、溪流、高山寒原、高山箭竹草原、阔叶林、热带季风林与农田等，因此台湾在环境可持续及生态学的学术研究具有创新以及与国际竞争的条件。但也因生物多样性十分高，需要很多不同生物类群的分类学家才能彻底了解台湾的物种多样性。

在生物多样性研究的三个层次中，分子遗传和陆域生态岛内的研究人力充足，唯分类学和海洋生态的研究人力较为缺乏。分類学是传统科学，但因为历史因素，岛内分类人才在1945年台湾光复后才开始培养；虽然一度人才济济，但在上世纪90年代生物科技兴起后，很少有年轻学生愿意投入分类学研究，以致目前岛内分类人才青黄不接，使得台湾的丰富生物多样性目前仍普遍了解不足，并有后继研究乏力的情况发生。

至于生态系多样性研究，台湾陆域的传统生态学家众多，且不少大专院校开设有相关系所，故生态人才传承培育较无问题，唯岛内海洋生态的研究起步较晚，研究人才较为短缺。

另外，生物多样性科学着重跨领域和不同层次的整合，台湾目前跨领域的生态系模拟、生态与功能性基因及计算基因学的人才都普遍匮乏；且岛内分类和生态学者对分子遗传分析及基因科学和技术的理解不多，直接涉入的更少，也缺乏与基因相关学者沟通的机会，导致失去运用分子遗传基因学知识的机会，这也是提升台湾生物多样性研究极待解决的问题。

岛内过去对生态监测、服务、功能与运作机制领域投入研究经费过少，缺乏跨领域整合与预测模式研究人才的培育；对于网路资讯与电脑演算等领域的信息也多缺乏，使领域的研究水准发展缓慢，亟须改善。另外是传统分类人才日渐减少，难以在短时间内彻底了解台湾的物种多样性从而阻碍生态系研究的发展，且不同领域或各层次的学者较少能整合一起研究全面性的生物多样性议题。

台湾虽然生态系统多样且生物多样性很高，但多日渐受到各种人为开发和污染的严重干扰，导致物种及甚至整个生态系迅速消失，以致生物多样性研究具有迫切性，以免一些物种未被发现或是一些地区的基础生态资料未被了解便已消失。而新兴科技的发展如分子生物技术和基因研究，亚洲邻近国家和地区如中国大陆、新加坡、韩国、印度等，均积极加强投入使用于生物多样性研究上，但岛内生物多样性领域所获经费较少，台湾若不能尽速加强和整合这方面的研究，台湾的遗传多样性研究人才的竞争优势将很快消失。