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牧草生產與利用新科技:另一隻偷窺的眼睛–牧草顯微切片技術

95/11/02 瀏覽次數 22840
臺灣栽培的牧草有狼尾草、蘇丹草、青割玉米、盤固草、尼羅草、苜蓿等,牧草絕非專指禾本科牧草,其中包含了豆科或其他科別的草種。栽種面積約1萬公頃左右,以目前每年自國外進口的牧草量估算,還必須增加9千公頃,才能自給自足。因此,育出高產量、高品質的牧草是目前重要的研究方向,現階段藉由顯微切片技術進行作物育種選拔,已是目前發展的趨勢。

牧草消化率的檢測

目前為探求牧草消化率的高低,有所謂「試管乾物消化率」的測定,是取牛第4個胃(瘤胃)的胃液在試管內進行模擬瘤胃分解牧草。另外一種了解消化率的方法,是當牛採食牧草後1至2天,自瘤胃取出牧草在顯微鏡下觀察,以探討牧草被胃液分解的情形。

目前臺灣主要的牧草有尼羅草及盤固草,為了比較乳牛採食這兩種牧草後在瘤胃3天的消化結果,研究人員以牧草餵飼瘤胃開窗的牛後,在適當時間取出內容物,利用解剖顯微鏡觀察盤固草及尼羅草被胃液分解的情形。消化率高的牧草通常在餵飼後3天,其組織結構已被胃液分解。另外,可再把這些材料利用石蠟切片技術,以石蠟包埋並切成10痠厚度的切片,進行不同牧草的組織結構觀察,以調查其組織結構被胃液分解的情形。

一般植物體是否易被瘤胃胃液分解,常常受植物體細胞壁結構的影響,細胞壁的厚度是影響消化率的因素之一。觀察細胞壁,可利用鋨酸固定材料,並以塑膠包埋和超薄切片技術切成塑膠切片並放置在銅篩上,利用穿透式電子顯微鏡放大約20,000倍,比較不同牧草品種的細胞壁結構,以做為具高消化率潛力的育種選拔參考。

牧草組織結構的研究

顯微鏡技術除了可用於牧草消化率的比較外,也可用來觀察組織結構。例如許多植物淹水會導致死亡,有些牧草也是如此,若是在種子播種初期,遭遇颱風暴雨來襲,很容易造成農田淹水,則種子的發芽率會變差。研究學者曾利用蘇丹草為材料,探討其種子播種至開花結果後淹水,根部組織損壞的情形。過程中利用石蠟切片技術把蘇丹草種子開始發芽時的胚根取下,經顯微鏡觀察發現其胚根組織在淹水3天時細胞會崩解,導致蘇丹草的萌芽率變低、田間缺株嚴重。

蘇丹草在開花期若遭受數天淹水,會影響植株的光合作用,並導致光合產物-碳水化合物的累積變差。研究人員曾取淹水3天後的蘇丹草種子,利用偏光顯微鏡觀察種子的澱粉累積情形。植物的澱粉是以結晶的方式存在於種子的胚乳細胞內,若澱粉累積不足,會影響種子爾後的發芽。因此,利用偏光顯微鏡可較一般顯微鏡更清楚地觀察澱粉粒累積的情形。

苜蓿是重要的豆科牧草之一,有「芻料之后」的美譽。然而在臺灣卻不容易栽培,最主要的原因是苜蓿的根累積大量的碳水化合物,若遇淹水且連續數天高溫(攝氏30度以上),其根部組織發育便會受影響,且易感染病菌而敗壞。在觀察苜蓿淹水後的主根組織結構時,可利用相位差顯微鏡觀察不同層次的細胞受淹水影響的情形。淹水後的苜蓿根會很快地敗壞崩解,因而影響了存活率。

在育種技術上的利用

顯微鏡在牧草育種選拔上,可提供研究者重要的訊息,例如在雜交授粉方面。不同種之間的授粉常會發生所謂自交不和合性,因而造成雜交率的升高。如蘇丹草的雜交率為5%以上,造成的原因有些是因為花粉粒掉落在自花的柱頭上,花粉粒無法在柱頭上萌芽或花粉管的伸長發生了問題。

通常由花粉粒掉落在柱頭上後,花粉管萌芽並伸長花粉管至胚珠,以及釋放精核至胚珠所需的時間約數分鐘至數小時。花粉管常因種種因素無法伸長至胚珠,因此植物花粉所攜帶的精核,無法藉由花粉管所形成的通道進入胚珠,與卵核結合而完成受精,造成胚或種子的發育不完全。這些現象可透過花粉粒及柱頭的特殊螢光染色,利用螢光顯微鏡進行觀察,也可藉此找到正確的解決方法。

顯微鏡技術除了可協助研究人員了解草食動物攝食牧草後的消化情形外,也可協助發現植物生長發育的優劣狀況,也是其他作物分子育種的重要利器。
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