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〔專訪〕台灣大學生化科技學系許瑞祥教授:真菌種源鑑定先驅,穩固菇蕈產業根基

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台灣大學生化科技學系許瑞祥教授正是開啟菇蕈類菌種分子鑑定新局面之關鍵人物,其靈芝與冬蟲夏草之研究成果,帶領國際菌種分子鑑定研究往前邁進一大步。藉由透視老師的研究經歷,不僅可以一窺真菌界菇蕈類之研發進展,也道出未來產業發展須思考改善之處。

撰文/許嘉伊(台灣經濟研究院生物科技產業研究中心專案經理)

本文原載於 2009 年 7 月《農業生技產業季刊》第18期「食品生技專輯」60~64頁

 

由於菇蕈類本身屬於高纖維、低熱量食材,再加上富含多醣體具有保健功效之好處,菇蕈食品與藥材持續受到市場青睞,除了生鮮菇蕈是常見的家常菜,以靈芝、冬蟲夏草、巴西洋菇為題材之保健產品更是琳瑯滿目,產業競爭日趨白熱化。

台灣曾有洋菇王國之美譽,氣候條件也適合靈芝等藥用真菌生長,目前人工栽培之菇蕈種類眾多,具備發展菇蕈及其衍伸產業之利基。如何憑藉著固有之基礎,再度創造台灣菇類王國之高峰,不僅有賴產業的技術與設備升級,也須要良好的產業管理機制,而菌種種源管理與開發即為菇蕈產業發展的根本議題。

「種源鑑定」這個名詞對於現在投入農業生技研發的人來說已是耳熟能詳,其對於學術與產業進展之重要性更是不言而喻。然而,在1970 年代左右,種源鑑定技術還限制於以型態差異為主的分類系統時,菇蕈類生長因受到環境影響可能造成外觀上的差異而導致人為誤判,小則影響研究成果,大則關係到食用安全。

台灣大學生化科技學系許瑞祥教授正是開啟菇類菌種分子鑑定新局面之關鍵人物,其靈芝與冬蟲夏草之研究成果,帶領國際菌種分子鑑定研究往前邁進一大步。藉由透視老師的研究經歷,不僅可以一窺真菌界菇蕈類之研發進展,也道出未來產業發展須思考改善之處。

 

種源鑑定的重要性不言而喻,請老師分享當初建置此核心技術之經驗?

引發我鑽研菌種鑑定的原因並非它是熱門題材,而是在研究過程中觀察到其必要性。雖然目前菌種鑑定需求的觀念已經普遍被接受,然而在 1970 年代相關的技術仍然有限,亦尚未被重視。1978 年我以大二學生身份進入王西華教授的實驗室學習,從此踏入食用菇蕈類的研究領域。王西華教授在菇類研究享有盛名,當時洋菇為台灣重要的出口產業,每年外銷超過一億美元,而王教授專研的洋菇與靈芝研究也為產業發展奠定基礎。

在菇類研究的殿堂裡,我挑選國內少有探討,但具有開發潛力的物種──冬蟲夏草屬真菌作為碩士論文題材,進行菌種採集、形態分類,研究此屬真菌感染昆蟲的機制,為日後研究生涯建立扎實的基本功夫。然而,由於台灣沒有真正的冬蟲夏草(Cordyceps sinensis)菌種,只能採集到其同屬的近親,在材料限制的情況下,博士班的研究方向便轉而專攻靈芝。

俗話說,「師父領進門,修行在個人」。決定深入研究靈芝是因為觀察到大家口中所說的「靈芝」可能不只一種,而且存在很大的差異,這讓我覺得靈芝分類出現問題,必須進行系統化分析加以釐清。當時普遍認為台灣栽培的靈芝只有一種,不同農場的靈芝,即使外形不同,農民卻認為都是一樣的靈芝。不僅如此,連學術期刊發表的科學文獻只要是研究靈芝,也只出現一種學名,就是 Ganoderma lucidum

然而,有的研究宣稱靈芝有降血壓功效,其他團隊卻認為具有升血壓功效,學名誤用問題已造成學術界平台無法溝通,而研究材料身份不明的窘境不但影響研究成果的再現性,甚至連正確性都受到質疑。由此可見,學術界需要更精確的菌種分類技術以釐清研發標的身份。

此外,對農場與公司而言,也必須應用鑑定技術進行菌種與產品原料的確認,才可掌控品質,提供消費者穩定的使用效果。因此,1984 年我開始博士論文的研究時,便決定進行菌種鑑定,不僅從形態觀察、交配試驗等常用的方式判斷靈芝種類,還導入當時先進的生化指標技術,使用同功酶(isozyme)電泳圖譜進行菌株分類,證實台灣普遍栽培種植的赤芝分為兩種,即靈芝(Ganoderma lucidum)與松杉靈芝(Ganoderma tsugae)。

隨著分子生物進展,真菌親源鑑定技術也更上一層樓。聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)技術自 1984 年問世後逐漸被應用於生物品系分類,由於真菌菌絲含有大量的多醣體,不易萃取足夠的去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)以供分析,因此,實驗室自1993 年便引進PCR 工具,發展出一系列的基因擴增與辨認方法,建立客觀的靈芝分子生物鑑定系統。

依據分類的層級,分析核醣體基因(ribosomal DNA, rDNA)序列可以辨別不同「屬」的真菌;分析rDNA中的內轉錄區間(internal transcribed spacer, ITS)則可鑑別「種」的層次;同種間不同「品種」的菌株,則可利用逢機增幅多態型聚合酶連鎖反應(random amplified polymorphic DNA-polymerase chain reaction, RAPD-PCR)所建立之菌株基因圖譜進行分析。也就是說,此分子生物鑑定的方法可以分辨同種不同品種的靈芝,並滿足工業生產與專利申請時所要求的精確度。

 

除了靈芝外,您的研究團隊也深入研究冬蟲夏草、巴西洋菇等高經濟價值的食藥用真菌類,請老師談談相關的研究發現?

本實驗室建構完成之靈芝屬菌種鑑定用之分子生物學指標,已登錄於歐洲分子生物實驗室(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)等基因資料庫中,自 1995 年起即廣泛被各界查詢引證。經由靈芝研究累積之技術,包括形態分類、交配試驗、生化指標與分子生物學分析等,逐漸堆砌出實驗室之核心能力。而我們也陸續建立冬蟲夏草、巴西洋菇、牛樟菇、白靈菇等菌種鑑定用的分子生物學指標,並針對鴻喜菇、杏鮑菇進行種源分類鑑定之研究。

在冬蟲夏草(Cordyceps sinensis)的研究方面,由於人工栽培技術至今仍無法培養出子實體,只能培養菌絲體,造成冬蟲夏草鑑定上的困難。即便是冬蟲夏草的產地- 中國,也是經歷多年的努力才確認真正的冬蟲夏草菌種。中國於 1970 年代末期執行的國家星火計畫,從不同產地感染蝙蝠蛾(Hepialus armoricanus)的冬蟲夏草子座與菌核上分離獲得的冬蟲夏草無性世代菌株學名多達十幾種,卻無法確認真正的蟲草菌種為何。

為了解決此問題,實驗室團隊前後花費十幾年時間,多次探訪中國蒐集標本,並設計實驗方法篩選冬蟲夏草菌種。結果發現不同產地、不同時期的冬蟲夏草樣品18s 核醣體基因相當穩定,為了排除機會感染菌種,我們將菌核分離到的菌種與子座進行 rDNA 比對,成功鑑別出真正的冬蟲夏草無性世代菌種為中國被毛孢(Hirsutella sinensis),而且鑑別用的基因序列已獲得美國、中國及台灣專利。

不僅如此,近年來我們已經找到一段可用來進行冬蟲夏草菌種定量的基因序列,目前認為該基因有可能為單套(one copy),因此可以利用即時定量(real time)PCR 進行冬蟲夏草相關商品之菌種鑑定與菌體定量。

 

菌種鑑定技術除提供學術界分類依據外,對於產業應用潛力為何?

拜 PCR 技術所賜,使原本需要大量樣品才得以進行的物種鑑定,進階為僅需微量檢體就足以完成的技術。不僅有利於學術界釐清天然物的學名,甚至標本館中的標本也能重新驗明正身,提供更可靠的分類依據。值得高興的是,創新的科技不僅為學術研究帶來進展,亦會對產業發展造成衝擊。

在商業應用上,微量樣品檢驗技術除了提高業者執行菌種確認之意願外,就保健食品檢驗的角度而言,已可達到用一顆膠囊來驗證產品內容物之技術程度,為主管機關提供可行的商品監測方式,若落實至管理驗證體系,將有利於產業升級。

 

請老師多談談對菇蕈類保健食品產業發展之看法?

要作為保健食品的材料,應思考無毒性、可長期食用、具功效等性質。尤其無毒性為首要考量,必須排除慢性中毒的可能性。古籍記載靈芝有補肝氣、益心氣的效果,冬蟲夏草則可滋肺補腎,而且兩者皆累積幾百年的食用經驗,顯示這些食材具有相當程度的食用安全性,現在已廣泛作為食補及藥補材料。然而,為了刺激市場買氣,保健食品業者難免希望透過開發新題材創造營收,若缺乏長期食用經驗之佐證,則可能有食用安全之疑慮,必須審慎評估。

此外,產品表裡一致也相當重要,消費者一定不希望買標示 A 的產品,內容物卻是 B。姑且不論 B 是否具有 A 的功效,若食用 B 卻得到不良的效果,不僅無益反而有害。如果業者只是進口原料,只在包裝行銷上下功夫,卻忽略種原鑑定與功效確認的基本功夫,一旦消費者使用效果不佳,其影響不僅止於對該品牌產品失望,還會使其對市面上所有的產品都失去信心。

例如消費者購買某牌的靈芝產品後發現品質不好,口耳相傳的內容極可能是「靈芝沒有效」,而不是「某牌的靈芝產品沒有效」。也就是說,只要有劣質產品在市面上流通,就可能造成負面影響,拖累整體產業發展。理想的廠商需要掌握自己的菌種,進行功效確認,甚至確認有效成分等來確保產品品質,而非一味強調功效,卻忽略了品質的把關動作。

台灣的「健康食品」為法律名詞,已建立明確的管理模式,但坊間保健食品相對成為模糊地帶,可能出現不肖業者掛羊頭賣狗肉的現象,甚至還不自知。目前學術界在技術上已有從微量樣品檢驗菌種的能力,管理當局應設立規範推動產業品質升級。

總而言之,產業的健全發展應達到:(1)生產符合規範,也就是要在菌種、成分、與品質確認的前提下方可進行大量生產;(2)教育消費者正確的產品知識;(3)建立有效的管理體系,妥善運用現有的鑑定技術,對市售產品進行監控,並制定管理規範,提供業者遵循,保障消費者權益。如此,正視產品市場的基本要素,管控源頭的品質,將有助於產業可以往下扎根蓬勃發展。

 

以您多年的研發經驗觀察,請分享對台灣農業生技產業發展之建議?

台灣農業生技具有發展為領導地位之潛力,應重視已具體創造產值的農產品,例如善用花卉、蔬菜、魚種之多樣性,運用生物技術提升產品附加價值、建立品質管理制度。以菇蕈類為例,靈芝不當藥用的價值比藥物高,因為在預防勝於治療的概念下,食補是平時就要補充,增強身體機能,不是生病才食用。加上目前藥物無法治療所有疾病,所以功能性補充食品仍有很大的發展空間,應透過良好的管理制度輔導發展。

上述已經提到保健食品等農業次級產品開發應重視原料的種源管理,不僅如此,農業初級產品也應納入此品管概念。於國際貿易頻繁的今日,在台灣可以容易買到各國進口的商品,菇蕈類也是一樣。基於消費者對於各個產地的認同度不同,對於商品的願付價格也會有所差異。

例如台灣栽培的香菇成本每公斤約 700 元,而中國生產的香菇每公斤不到 300 元,如果不肖的商人將中國香菇以台灣生產的名義販售,不但損害消費者權益,更會侵蝕台灣本土的香菇產業,導致產業萎縮。

故台灣應儘快落實產品或原料的產地標示制度,建立菇蕈類的品種註冊制度,輔導栽培農場應用品種鑑定技術確立自己的菌種,建立標準作業流程,生產品質穩定且優良的產品。而菌種註冊資料亦可用於因應農產品安全管理體系,一旦菇蕈產品出現污染疑慮,則可利用菌種鑑定方法,配合產銷履歷追蹤該產品之生產農場,進行即時處理,降低民眾恐慌的程度,將損失降至最低。

 

建構於良好的品種管理基礎上,請老師談談菇蕈產業未來發展之展望?

台灣過去已累積相當豐富的菇類栽培經驗,未來若能選擇高經濟價值的食藥用菇如靈芝進行開發,則有利於產業的發展。而菇蕈類不僅是初級農產品,還可發展為保健食品與藥品,甚至作為製造醫藥用途蛋白質的生物工廠。

然而,所有的發展應用都需從源頭進行檢視,鑑定工作可以說是學術與產業發展的基礎,因為在挑選出正確、有功效的菌種後,進一步的研發才有意義,否則連材料都無法釐清,更無法期望有穩定且具再現性的成果。

在確定種源後,可以進入物種改良,或者延伸至功能性基因研究,例如超氧歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、免疫調節蛋白等;由菇蕈類開發之功能性基因還可移轉至其他物種表現,或者以菇蕈類做為表現平台,放入功能性基因表現醫藥蛋白,即所謂的分子農場(biopharming)。

因為菇蕈栽培過程現已可完全工廠化,輔以電腦化、自動化方式控管,將可精確預估產量。建議可以將栽培農場的硬體設備以模組化方式生產,加以推廣輔導業者採用,使國內的生產技術升級。而每個農場掌握的菌種就如同此模組的軟體一樣,各自擁有核心技術,創造良性的競爭模式。

此外,由於可以在工廠化的密閉式空間栽培,使菇蕈產品可完全與外界環境隔離,避免衝擊環境生態安全之疑慮,加上本身不存在人畜共通傳染病問題,未來除提供優良品質的食藥用菇蕈來源外,也將有利於應用在菇蕈類分子農場的發展,為台灣農業生技產業開創嶄新格局。

 

採訪後記

於採訪過程中,許瑞祥教授也提出其做研究的觀點與大家共勉之,「若將研究當職業,則研究會越做越小,若把研究當志業,在使命感與興趣的驅動下,研究內容也會日益豐富」。由此可感受到許教授對於研究的投入與熱情,而其成就之影響力也印證了他的信念。

對所有產業成員而言,不僅止於學術研究,若能在商業經營與產業推動方面,秉持相同的信念,以提供優質商品為志業,則將能活絡市場經濟,還可為國人的健康加分。

種源鑑定技術已經幫助學術研究重新建立秩序,對於產業應用之影響更是令人期待。然而目前國內栽培農場與業者尚未普遍將種源管理納入生產流程,期望在科技進展的帶動下,產業可以應用並享受科技帶來的好處,結合生物技術建立產品差異化、導入優質農業形象,為菇蕈栽培產業注入更多可能性。

2009-RSH-1