生物科技：微生物的另類角色–害蟲防治
93/09/07
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翟建富｜
陽明大學生物化學研究所
自有人類以來，微生物就扮演了社會進步的重要角色，例如食物的發酵、釀酒、傷口腐爛的防止、貴重酵素和有藥用價值的物質如抗生素的製備，以至生產遺傳工程產品的生物反應器等，莫不是以微生物為基礎而達成的。
最近科學家還發現有些微生物能以油污及廢棄物做為食物來源，因此可用以解決環境污染問題。在二十世紀八○年代，人類甚至開始利用微生物防治作物害蟲和預防致病蚊蟲的滋生等。由於微生物中含有取之不盡的有用物質，可以提升人類生活品質以及保障健康，因此我們對微生物世界仍有待進一步探討和了解。
生物防治有害昆蟲已刻不容緩
人類社會的發展史，嚴格來說就是一場與昆蟲的戰爭史。昆蟲有超人的繁殖力，不僅會危害人類的健康，而且還威脅到人類賴以生存的糧食。在二十世紀初期科學家發明了簡稱為DDT的氯化烴化合物，它是一種昆蟲神經系統和肌肉系統的毒物，可以有效防止昆蟲的滋生。同時另外一種可作為抑制劑的乙醯膽鹼酵素有機磷酸化合物也發展出來，乙醯膽鹼酵素有阻斷運動神經原的功能，因此可用來克制昆蟲的生長。利用這兩種化合物，的確可有效地防治昆蟲的滋生，然而藥物的濫用也為人類社會帶來了令人遺憾的後遺症。
DDT在環境中殘存的時間長達15～20年，由於在環境中累積的量不斷增加，對生態、動物、以及人類已構成莫大的威脅。而且這些化合物又會堆積在生物的脂肪組織中，長期使用會導致抗性昆蟲的滋生，更嚴重的是這些化合物缺乏專一性，對有益昆蟲也會造成嚴重的傷害，因而影響到人類經濟的發展。
雖然現今包括DDT在內的化學殺蟲劑已禁止使用，然而昆蟲所產生的抗藥性，已使化學性殺蟲劑面臨捉襟見肘的困境。為了維持人類與昆蟲戰爭的優勢，尋找昆蟲防治的代用品勢在必行。在減小對環境衝擊，和避免抗性昆蟲滋生的考量下，除了以生物的方法防治有害昆蟲外，人類已沒有其他選擇了。
有害昆蟲的剋星–蘇力菌
一九○一年，日本人Ishiwata Shigetane在病死的蠶寶寶中分離出一種從未被發現的新菌種，在一九一一年，德國人貝爾林納（E.Berliner） 也發表了同樣的發現，並將該新種細菌命名為蘇力菌（Bacillus thuringiensis）。後來安格斯（T. Angus）指出，蘇力菌體內所產生的晶體蛋白是導致昆蟲死亡的主要原因，因此開啟了以蘇力菌為基礎的昆蟲防治新紀元。
由於細胞對染劑的著色不同，根據這個方法可把細胞區分成格蘭氏陽性和陰性兩大類。蘇力菌屬格蘭氏陽性菌種，而格蘭氏陰性則以大腸桿菌為代表。蘇力菌在進入靜止期（即細胞開始老化的現象）時，在相位差顯微鏡下，可觀察到折射光源的孢子產生，伴隨著孢子產生的同時，在菌體內有立體形狀的晶體蛋白出現。在臺灣，已成功地把蘇力菌分離出來，並命名為YMB96分離株。
專一的殺蟲效應
晶體蛋白（crystal protein，簡稱Cry 蛋白）是由細胞質體上的晶體蛋白基因（簡稱cry 基因）編碼產生的。根據晶體蛋白的序列差異，目前已發現118種Cry蛋白，分別列於40大類中。最令人驚訝的是，每一種Cry 蛋白都有其專一的殺蟲範圍，因此可選擇具專一性的晶體蛋白以對付特定種類的有害昆蟲，同時晶體蛋白在環境中可降解，無累積之虞，對環境的衝擊可減少到最低的程度。
每種晶體蛋白分別對特定的昆蟲有專一的殺害能力，如：Cry1、Cry3、Cry4、Cry5的殺蟲蛋白可分別殺害鱗翅目（屬蛾類昆蟲如：番茄夜蛾、小菜蛾、菜青蟲等蔬菜類的作物害蟲）、鞘翅目（屬甲蟲類昆蟲如：星天牛、香蕉象鼻、鐵金龜等水果類害蟲）、雙翅目（屬蚊、蠅昆蟲如：東方果實蠅、瓜實蠅、瘧疾蚊蟲等），和線蟲、肝吸蟲等有害昆蟲。在台灣，蔬菜作物害蟲如小菜蛾、夜盜蟲等對化學農藥已產生高度的抗性，除了使用生物性殺蟲劑外已無他法。另帶原蚊蟲會引起瘧疾及登革熱等疾病，對化學殺蟲劑也有高度的抗性，現今只有Cry4類的殺蟲晶體蛋白對防治蚊蟲類最為有效。
在有效的管理下，殺蟲晶體蛋白的施用不易引起抗性昆蟲的滋生，加上此生物製劑的專一性，應是化學殺蟲劑的最佳代替品。但是其殺蟲範圍狹窄，以及藥性遠較化學農藥為低，使得使用成本過高，農民難以負擔，這是生物防治方法的最大弱點。幸而生物科技提供了改善的方法。科學家利用遺傳工程技術，改造晶體蛋白基因使其能大量生產晶體蛋白，同時製造雜種晶體蛋白，以增強其殺蟲能力及範圍。最近科學家也將改造過的晶體蛋白基因併入蘇力菌的染色體中，使之能穩定地在發酵槽中生產，因而達到量產的目的。在科學家不斷的努力下，相信以生物製劑全面取代化學農藥應已為期不遠。
殺蟲晶體蛋白是否安全
DDT等化學農藥大多屬神經系統毒素，昆蟲只要與藥物接觸便可引起毒殺作用，因此是一種缺乏專一性和選擇性的殺蟲劑。蘇力菌殺蟲晶體蛋白是否會與化學農藥有同樣的毒害呢？由於晶體蛋白的殺蟲機制與化學農藥不同，因此科學家相信，生物性殺蟲劑應不會引起如化學農藥般的後遺症，以下對殺蟲晶體蛋白執行毒殺昆蟲的機制做一解釋。
殺蟲晶體蛋白並不是一種接觸性的藥物，其毒殺的標的是昆蟲的幼蟲，同時必須經幼蟲將晶體蛋白吞食後始能起毒殺作用。晶體蛋白是以一種原蛋白的狀態存在，原是沒有毒性的，必須經腸道中的活化，始能呈現其毒性。在昆蟲的中腸液中pH值高達9 以上，在這些鹼性極高的情況下，晶體蛋白會溶解，再經腸道中的專一性蛋白酵素處理後，才會呈現晶體蛋白的毒性，這就是晶體蛋白的活化過程。而活化後的晶體蛋白還必須與昆蟲腸道外表的專一性受體（腸道表面具特化性的蛋白質組合）結合後，才能對標的昆蟲起毒殺作用。
目前的研究報告（以Cry1、Cry2、Cry3等晶體蛋白為例）顯示，所有殺蟲晶體蛋白的立體構造大都十分類似，包含了三個功能區域：即具疏水性的功能區域 1（D1區）–能穿透細胞膜，在腸壁細胞膜上形成孔洞，會導致幼蟲的死亡；功能區域 2（D2 區）–可與腸壁上的受體結合，是決定晶體蛋白殺蟲專一性的地方；功能區域 3（D3 區）–與殺蟲專一性和細胞膜孔洞形成有關的部分。
除了昆蟲的幼蟲外，其他動物中腸的酸鹼度均在9以下，因此晶體蛋白不會溶解；又昆蟲腸道中的特異性蛋白酵素不一定存在於其他動物中，因此不會有原毒素被活化的現象；再者昆蟲腸道上的專一性受體也不存在於其他動物中，因此縱使活化後的毒蛋白，在其他的動物中也不會引起毒殺作用。
基於上述對毒蛋白作用機制的了解，我們相信，殺蟲晶體蛋白只具有殺害昆蟲幼蟲的專一性，對其他的動物則十分安全。由於不同種類的活化晶體蛋白，只能辨認特定的腸道受體，這就是晶體蛋白具有高度專一性的原因。總而言之，生物性的殺蟲劑，其毒性具高度的選擇性和專一性，有異於一般的化學性農藥，因此，使用化學殺蟲劑的後遺症，不會出現在生物防治昆蟲的策略上。
其他防治作物害蟲的微生物
雖然蘇力菌殺蟲晶體蛋白是現今最為成功的生物防治昆蟲的方法，但科學家也希望開發其他種類的生物性殺蟲劑，一方面可填補殺蟲晶體蛋白的不足，再者也可以做為作物害蟲防治時，輪替使用的管理策略。目前其他可用的生物性防治昆蟲的工具有：桿狀病毒、蟲生真菌及蟲生線蟲等。蘇力菌殺蟲晶體蛋白的主要標的是昆蟲的幼蟲，對成蟲是沒有作用的，因此開發其他生物性防治昆蟲成蟲的方法確有其必要。桿狀病毒、蟲生真菌以及蟲生線蟲都能感染昆蟲成蟲，這些生物防治製劑與殺蟲晶體蛋白具有相輔相成的作用。
桿狀病毒對昆蟲的感染有極高的專一性，其他動物不會成為桿狀病毒的標的。雖然如此，病毒對標的昆蟲的致死力卻十分緩慢，故殺蟲效果不佳。為了彌補這個缺點，科學家已利用遺傳工程技術，將其他毒素基因或激素基因選殖進入桿狀病毒內。在病毒感染標的昆蟲的同時，選殖在病毒內的毒素或激素便可在標的昆蟲體內大量合成，因而可加速昆蟲的致死時間。北非毒蠍的神經毒素基因轉殖入桿狀病毒就是一個頗為成功的例子。此外科學家又把昆蟲的變態青春激素基因選殖入桿狀病毒，經感染後，標的昆蟲因受到激素的刺激而開始進行變態作用，導致昆蟲停止進食，因而達到生物防治的目的。
由於蟲生真菌對昆蟲有極高的感染專一性，很多對殺蟲晶體蛋白沒有作用的昆蟲，蟲生真菌可對其產生毒害作用，因此是殺蟲晶體蛋白的一種互補性代用品。常用的蟲生真菌及其作用有：黑殭菌—作用於葉蟬；綠殭菌—作用於大尾熊蟬；紫殭菌—作用於蜘蛛；青黴菌—作用於金花蟲；蟲霉菌—作用於蚊蟲；以及冬蟲夏草菌—作用於蠅類昆蟲等。
每一種蟲生線蟲都會與一種屬腸細菌科的細菌共生，利用蟲生線蟲的保護，腸內共生菌可順利進入昆蟲體內，而避免了昆蟲對細菌的抗性作用。進入昆蟲後，腸內共生菌會在昆蟲的血體腔中大量繁殖，致使昆蟲死亡，並分解昆蟲組織，以做為線蟲的食物來源。這樣的共生系統也是一種生物防治昆蟲的好方法。
基因轉殖植物
不論是化學農藥或生物性的殺蟲劑，其目的都是為了保護植物不受昆蟲的侵害。若植物本身可產生抵抗昆蟲的物質，這種植物就不需殺蟲劑的幫忙而能達到自身防治。由於基因轉殖植物的成功，科學家已經可以把各種不同的殺蟲晶體蛋白基因轉殖入植物中，以增強植物抗蟲的能力，例如：煙草、玉米、棉花、大豆以及馬鈴薯等。據稱使用遺傳工程改造的抗蟲植物，可減少農藥的使用量達50％以上。利用這種生物科技，科學家也已創造出抗旱、抗鹽、抗寒等改造植物，對解決世界糧食危機將會有決定性的助力。
生物防治–不可逆轉的方向
自從一九○一年日本人Ishiwata Shigetane 發現蘇力菌後迄今已有102年。以蘇力菌為生物防治作物昆蟲的產品在一九三八年於法國首先問世，再加上二十世紀七、八○年代遺傳工程技術的建立，使得以遺傳工程改造過的殺蟲晶體蛋白，在世界農藥市場上的競爭力大大地增加。不過由於晶體蛋白的成本高，而且其毒性以及殺蟲範圍的局限性，至今農民還是以化學農藥為主要的防治工具。然而過度使用化學農藥會為地球帶來無法彌補的災禍，故發展生物性防治有害昆蟲的方向，已是舉世的共識。除了以蘇力菌殺蟲晶體蛋白為基礎的生物性殺蟲劑外，桿狀病毒、蟲生真菌以及線蟲的開發，更加添了生物防治有害昆蟲的可行性。
科學家在一九八七年成功地把殺蟲晶體蛋白基因轉殖入菸草中，使轉殖株能產生抵抗昆蟲的物質，因而開啟了以轉殖植物作為生物防治有害昆蟲的新紀元。一九九六年，含有殺蟲晶體蛋白基因的轉殖棉花在美國批准上市，隨後含有殺蟲晶體蛋白基因的大豆、玉米也陸續推出。根據二○○一年的統計，在美國種植的棉花及玉米中分別有69％及26％是含有殺蟲晶體蛋白基因的轉殖株。在市場方面，以蘇力菌殺蟲晶體蛋白為基礎的產品，其全球市值約達27億美元，可見生物防治有害昆蟲的策略已是全球性不可逆轉的趨勢。
附錄：常見有害昆蟲
白蟻 白蟻的成蟲俗稱大水蟻，屬社會性的昆蟲，腸道中有鞭毛蟲共生，能分解纖維性物質，是建築物及木材的重要危害害蟲，在臺灣較常見的種類則有家白蟻、大和白蟻及臺灣家白蟻。
大頭麗蠅 大頭麗蠅與家蠅、肉蠅一樣，均屬環境衛生的重大害蟲，是許多重大傳染病的媒介，如霍亂、傷寒等。但大頭麗蠅喜好群聚在動物的糞便、腐屍上覓食、繁殖，加速廢棄物分解，也算是大自然的清道夫。
蚤類 蚤類營寄生生活，會寄在人類、哺乳動物，甚至於家禽身上吸血，在所有蚤類中則以貓蚤最為凶悍，人類被叮咬時會造成搔養或傳播皮膚病、鼠疫、斑疹傷寒等；嚴重時可能危害致命。
衣魚 衣魚是居家環境中常見的總尾目昆蟲，身上有如銀色的鱗片，複眼小、左右相距較遠，多半生活在室內，在衣櫥、書柜或牆下踢腳板隙縫中經常發現，主要以澱粉、紙張、衣物纖維等物為食。
蚊子 蚊科昆蟲在臺灣約有130種，而近年在北部地區引發登格熱傳染的媒介主角就以白線斑蚊為主，南部的主要媒介則是埃及斑蚊。幼蟲主要繁殖在戶外的積水容器中；成蟲亦習慣在白晝叮人。
