圖│研之有物
基因體定序是一項吃力不討好的工作，需要建立大量的資料庫及數據分析技術。施明哲 2008 年返臺時，發現臺灣農業相較於醫學領域，在前瞻技術的引進較為緩慢。因此來到中研院農業生物科技研究中心，開始著手建立臺灣農作物基因體的資料庫，希望能讓臺灣的研究人員充分利用這些資源，做更多的研究。他笑說，這樣的工作雖然發表不了好論文，但卻是對農業發展很基礎、也十分必要的研究。
阿拉伯芥、水稻怕淹水，是因為什麼分子機制？
自然界植物天生具備有不同的抗淹水性。和油菜同為十字花科的阿拉伯芥較不耐淹水；臺灣常吃的水稻雖然是半水生性，但蓬萊米 (Japonica rice) 是較怕淹水的品種；也有些水稻品種較不怕淹水，像是在來米的 FR13A 。另外還有「深水稻」，淹水時莖會快速抽高，讓頂端仍能呼吸氧氣、製造氧份，但水退之後莖若過高就會倒下。
圖│研之有物 (資料來源│林致成)
淹水對於植物的影響其實跟人類的中風很類似。中風是腦部缺氧造成腦細胞損傷，淹水讓植物與空氣隔絕造成缺氧，造成植物細胞能量不夠使植物細胞受損。而當水退去後，植物缺氧後「突然得到很多氧氣」，形成過度氧化反應 (reoxygenation)，加重對植物細胞造成的傷害。
供予氧氣的速度太快，反而造成氧化壓力產生活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)，生理調控不過來而造成細胞死亡。
實驗室的研究，有助防範臺灣的淹水農損嗎？
阿拉伯芥屬於十字花科，而臺灣有很多主要蔬菜作物是十字花科，像油菜、甘藍、花椰菜。近幾年臺灣夏天颱風頻繁，菜園泡水一兩天後，蔬菜幾乎就會死亡，我們研究植物抗淹水、缺氧的機制希望可以應用到蔬菜類，看看未來能否育出比較抗淹水的品種。我們也希望能找到水退後的相關抗氧化機制，應用在稻米育種。
研究淹水的抗性就是把植物放到淹水環境中，去看在逆境下不同基因的表現，可以一次就看到細胞在某一特定時間點有哪些基因表現、表現量多寡，一比較就可以找到關鍵性的差別。
以前做育種是仰賴雜交出子代，種到田裡去觀察。但很多遺傳性狀不是一個基因就能決定，而是由一組基因共同決定，育種並選出所需要的新種，通常需要很長的時間。而現在我們實驗室使用基因體學、蛋白質體學、代謝體學，統稱為「系統生物學」，這些通常是研究分子生物的工具，但其實可以用於農作物研究，蒐集並分析這些大數據就能加速育種。
分子生物的技術可以讓我們用聚合酶連鎖反應 (Polymerase chain reaction, PCR) 等技術去找到標的基因，以前做這個速度比較慢，但近年有了新的次世代定序技術 (Next Generation Sequencing , NGS)，一天可以得到 160~600GB 不等的資料量，速度變快許多，加速我們找到關鍵性的抗淹水基因，應用到農業育種。
隨著極端氣候，全世界約 10% 農損是淹水造成。了解農作物的抗淹水機制，並發展育種，是眼前急迫的研究。
和農民交流時，農民反應遇到哪些問題？
我剛到中研院農業生物科技研究中心的時候，當時的院長要我去臺灣繞一圈，看能做什麼幫忙臺灣農業。其中一個是蘭花產業。蘭花藉由無性繁殖(組織培養)到開花，一個生命週期 (life cycle) 也要三年，再加上沒有適當的生物化學及細胞學的工具，因此做蘭花的研究很難。
圖│研之有物 (資料來源│施明哲)
蘭花生長週期長，沒辦法像一般商品下訂後馬上有成品，因此花農需要預測什麼品系流行，預先栽培推廣，提供國外市場下單訂購，但預測錯誤就會造成損失，如果生長期能夠縮短半年或一年，成本及風險就會降低很多。
要蝴蝶蘭開花(催花)，開花前至少需要連續一個月的 18°C 低溫處理，視品種而定，溫度及處理的時間會有所增減。但臺灣平地溫度很少連續低溫，因此在臺灣養蝴蝶蘭需要以冷氣降溫，增加許多成本，也耗費能源，縮短低溫催花的時間對花農也非常重要。
另外，還必須配合全球市場喜好養殖蘭花，美國市場喜歡特別大的白花，像 V3 大白花；歐洲市場不喜歡大，喜歡瘦長、抽雙梗(一株有兩花梗)，但大部分蘭花品系抽雙梗的比例不到 10% ，有的要達到訂單要求就用兩株一盆，相對提高成本。因此如何提高抽雙梗的比例，是市場需求的商業問題，也是重要的生物問題。所以農業生技的研究，能藉由解決生產者的問題，造福消費者，也同時探討有趣的生物問題。
這些問題目前我們農生中心南部生物技術中心研究人員解決了一半，蘭花從組織培養發育時間可以縮短 8 個月，還有一些蘭花品系抽雙梗比例可以提升到 80%。
蝴蝶蘭是臺灣最重要的出口花卉作物之一，過去十年間，每年都穩定成長，現在一年約是五十億臺幣的出口值。到 2016 年為止，出口到美國佔 60% 、文心蘭出口到日本佔 90%，但現在我們面臨競爭對手。一個是荷蘭，跟臺灣是夥伴、也是競爭者，因為荷蘭在歐洲有通路，所以臺灣花卉在歐洲擴展成長很慢。另一個則是中國大陸的競爭。
所以我們不能停在這裡，臺灣唯一可以競爭的，就是能一直推出新的品種。
之前有農民用育種的方式培育出第一代的「皇帝」蘭花，但要想培育出第二代，又花了十年的時間，大家都在等。因為當時沒有發現「皇帝」的第一代是「三倍體」，雙套染色體配子與單套染色體配子結合產生三倍體，產生的子代可能會因為無法產生配子、而無法再產生下一代，等於是靠運氣在育種。
如果有基因研究的工具，我們可以知道遺傳性狀跟基因的關係，就可以加速這過程。所以為什麼要做基因體研究？是要縮短等待的時間，讓農業發展不會亂槍打鳥，以後實驗的設計是有邏輯、一步一步去做。
為了達到這個目標，要累積許多蘭花的功能性基因資料庫、基因圖譜去做研究。我們以臺灣原生種蝴蝶蘭「臺灣阿嬤」為研究標的，臺灣蝴蝶蘭大花的品系幾乎都是臺灣阿嬤的後代，多子多孫因此叫做「臺灣阿嬤」，所以要做基因定序當然就選擇它，去建立了臺灣蝴蝶蘭的基因資料庫。
希望把臺灣變成不只是蝴蝶蘭「出口」的王國，也要臺灣變成蝴蝶蘭「研究」的王國，我相信是可以的。
圖│施明哲
圖│施明哲
投入臺灣農業研究，有沒有受到什麼啟發？
2008 年，我剛回臺灣時看了部紀錄片《無米樂》，崑濱伯最後說：「老天給我這塊土就是要我來種田養活大眾，所以我當然要盡責任。」
後來我終於有機會看到崑濱伯，因為那一年他的米得到冠軍，看到他本人就跟電影裡面一樣老實誠懇。他們知道農業對臺灣有多麼重要，老天賦予他們這個土地來盡這責任，雖然生活滿苦的，但還是很願意做這些事，讓我非常感動。
我們做基礎科學的叫自己是 “curiosity driven”，因為對某一個問題有興趣，而去探討它的答案。我們和農民是從不同的角度在盡責，但配合起來是可以為臺灣做出更多貢獻，會覺得自己作為一個研究者，要更努力去做這些事情。
到現在，之所以會從基礎科學到注意農業的應用與永續問題，是因為我們臺灣面臨了幾個問題：第一、是糧食安全問題，目前臺灣的糧食自給率只有 30% ，亦即我們的糧食有 70% 是靠進口。第二、傳統育種的速度不能夠及時培育出新品種生長在不斷變動的環境，因此新農業的趨勢是要具有預測環境變遷的能力，再加上有快速育種的能力，及時育出符合環境需要的新品種。
當今農業發展的流行語是 “designer crop”，不只是臺灣，全世界都在做。
「應用」跟「基礎」之間的分野沒有很大，常常就是一念之間，就能拿來做應用。最重要的是要先累積這些十字花科、水稻、蝴蝶蘭等臺灣農作物的基因資源，才能一面做基礎研究，一面也能在產業中貢獻。
