生物農藥：保護植物的重要菌源–鏈黴菌
94/07/06
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石信德｜
行政院農業委員會農業試驗所植物病理組
黃振文｜
中興大學植物病理學系
具有鏈狀的鏈黴菌
1875年孔恩氏（Ferdinand J. Cohn, 1828–1898）在一份報告中提到，由人體淚腺的結石中可以分離出一種微生物，他把這種微生物命名為Streptothrix foersteri，意思是指「放線菌」，這是首次在文獻中提到放線菌。因為牠們在培養基上呈放射狀生長，並可產生與真菌一樣的菌絲體、無性孢子、孢子囊與孢囊孢子，所以稱為放射狀真菌，歸為真菌類。直到20世紀中葉，學者們進一步探討放線菌生理和細胞特性，才發現牠們不具核膜，是屬於原核生物。因此，在現今的分類系統上，放線菌歸屬於革蘭氏陽性細菌。
有一類放線菌的無性孢子，在光學顯微鏡的觀察下呈現鏈狀排列，因此微生物學者把牠們命名為鏈黴菌（Streptomyces spp.），在土壤、淡水、海水、堆肥、動物及植物等天然或人為的各種環境中，都可發現牠們的蹤跡，是生態圈中最大的一群放線菌。一般而言，每公克富含有機質的中性土壤中，鏈黴菌的數量可達106～107菌落單位（cfu／g）。到目前為止，已發現約100個屬，其中有五十多個屬被正式承認，而鏈黴菌及其相關的屬已有超過1,000個種和變種。
能產生多種二次代謝物
一次代謝物是維持生物合成或生長過程中所需的代謝物，至於對生命的維持不具明顯的功能，只在某些生物上產生的代謝物，則是二次代謝物，如抗生素或色素等。
鏈黴菌可以產生多種二次代謝物，包括各種物質的分解酵素及抗生物質。這些代謝產物除了可用在人體的醫藥以及當成家畜飼料的添加物外，在農作物生產方面，也可做為植物保護之用。鏈黴菌是已知放線菌中最大的族群，可產生高達一千多種的抗生物質，許多重要的抗生素如放線菌素、鏈黴素、四環黴素、保米黴素、維利黴素、嘉賜黴素及康黴素等，都可由鏈黴菌生產。一般而言，農用抗生素具有較低毒性及殘留性質，可以抑制病原微生物的生長和繁殖，或者能改變病原菌的形態而達到保護作物的效果。
鏈黴菌產生的抗生素種類繁多且結構複雜，從結構上區分，大致可把農用抗生素分為下列六大類。
氨基醣類抗生素 這類抗生素屬於醣的衍生物，由醣或胺基酸與其他分子結合而成。在植物體內具有移行性，可干擾病原細胞蛋白質的合成，如鏈黴素。
四環黴素類抗生素 這類抗生素是由4個乙酸及丙二酸縮合環化而形成，可以抑制病原菌核醣體蛋白，如四環黴素。
核酸類抗生素 這類抗生素含有核酸類似物的衍生物，作用於病原菌的去氧核醣核酸合成系統，抑制其前驅物或酵素的合成，如保米黴素。
大環內酯類抗生素 它是由12個以上的碳原子組成，且形成環狀結構，通常可和細菌的50核醣體亞基結合，以阻斷蛋白質的合成，如紅黴素。
多烯類抗生素 由25～37個碳原子組成的大環內酯類抗生素，含有3～7個相鄰的雙鍵，可與病原真菌細胞膜上的類固醇結合，有破壞細胞膜的功能，如治黴菌素。
多肽類抗生素 這類抗生素是把胺基酸用不同的肽鍵結合，經常形成網狀結構，可以抑制病原菌細胞壁的合成，如純黴素。
由於多數鏈黴菌具有分泌抗生物質或細胞外酵素的能力，可以有效抑制植物病原菌。此外，少部分還具有促進植物生長或誘導植物產生抗病性的效果，因此鏈黴菌在生物防治應用上極具潛力。
植物保護上的應用
站在21世紀的起始點，人類對於生活品質與環境保育有著新的期待與盼望，尤其是食品的衛生與安全，成為大眾關注的焦點。近年來，世界各地都陸續積極推動有機農業的栽培管理法，其主要的手段是儘量避免使用化學肥料與農藥，並採行栽培防治法，施用有機添加物及推動生物防治等技術，達成作物病蟲害綜合管理的永續經營目標，藉以維護農作物生產的衛生安全。
什麼是生物防治呢？簡單地說，咱們老祖宗「以菌治菌」、「以蟲防蟲」的觀念，便是生物防治的濫觴。生物防治法是農業生態系中，植物病原、昆蟲與益菌或天敵等族群間維持均衡的重要策略之一。就植物病害而言，其定義是指在自然或人為操控的環境下，透過一種或多種拮抗微生物，有效降低病原菌的密度、活力及感染作物的能力，進而達到防治植物病害的效果。
鏈黴菌拮抗植物病原菌的原理可分為抗生、競爭和超寄生作用。抗生作用是指拮抗菌所分泌的代謝物質如抗生素或酵素，可以抑制病原菌的生長。競爭作用是拮抗菌與植物病原菌競爭養分、生存空間，尤其在作物的根圈部位建立族群優勢，進而達到抑制病原菌的生長及存活，間接保護作物免於被病原危害。超寄生作用則是拮抗微生物寄生於病原菌上，致使其菌絲或生殖構造遭受破壞甚至死亡。
例如利迪鏈黴菌WYEC108菌株，可阻擾腐霉菌的卵孢子發芽，因為牠所分泌的幾丁質分解酵素可以破壞腐霉菌菌絲的細胞壁。如果把豌豆種子粉衣以WYEC108菌株處理，可使豌豆種子免於受腐霉菌的危害。
灰綠鏈黴菌可產生數種代謝物，其中包含一種芳香族的七烯類，近似克念菌素的物質，這種由放線菌所產生的代謝物，可以防治多種由鐮胞菌引起的作物病害。此外，由阿鏈黴菌產生的阿巴汀，已商品化成為殺蟲劑，可有效防治番茄斑潛蠅及銀葉粉蝨等。由綠產色鏈黴菌分離純化的普通黴素，也用於莧屬雜草的防除工作。
鏈黴菌還可產生多種可分解蛋白質、木質素、幾丁質及纖維素的酵素，分解自然界不易被其他微生物分解的物質，如促進廢棄物的分解，可以生產有機肥，解決環境污染問題並提高廢棄物的價值，達到資源化的目的。
研製植物保護製劑
筆者從臺灣各地農田及栽培介質中分離獲得的200株放線菌中，有196株屬於鏈黴菌屬。其中鏈黴菌PMS－702菌株分別與芒果炭疽病菌、甘藍黃葉病菌、西瓜蔓割病菌、萵苣萎凋病菌、蘿蔔黃葉病菌、腐霉菌、番茄晚疫病菌、以及立枯絲核病菌等常見的30種植物病原真菌進行對峙拮抗培養測定，結果顯示PMS－702菌株對於各種植物病原真菌，都具有不同程度的拮抗能力。把PMS－702菌株的形態、生理、生化特徵及16S核醣體核醣核酸基因序列，分別與標準菌株的特性比對後，確定PMS－702菌株是稠李鏈黴菌。
為了有效利用稠李鏈黴菌防治植物病害，首先需要探討拮抗菌株與不同營養資材間的親和性。因此針對幾種不同的營養配方，比較它們培養PMS－702菌株效果的差異，篩選出具有最佳生質量及抗生活性的配方，以研製植物保護製劑產品。在室內，取植株或切離葉進行生物檢定，分析鏈黴菌植保製劑的防病功效，證實稠李鏈黴菌可以抑制多種植物病原菌，並且發現牠的二次代謝物在抑菌機制上扮演重要的角色。進一步在田間測試PMS－702製劑防治番茄晚疫病的效果，結果顯示確實可以有效防治番茄晚疫病，並可提高番茄的產量。
前景看好
近年來隨著蘇力菌大量生產，並應用於作物害蟲的生物防治工作後，以微生物為主的相關生物製劑——生物農藥產業也隨之興起。相較於傳統農藥每年1～2 ％的成長速度，預測目前全世界的生物製劑市場，正以每年10～15％的速度成長中。自1999年以後，美國國內即有1億5千萬美元的市場規模。臺灣地處熱帶及亞熱帶，氣候高溫多濕，農作物容易遭受病蟲草害的危害而造成經濟損失，因此開發新的防治技術以因應未來農業發展，是刻不容緩的課題。
我們從臺灣的農田、堆肥及栽培介質等基質中，陸續分離到許多放線菌。經多次測試後，發現鏈黴菌具有廣泛抑制植物病原菌的效果。因此選擇稠李鏈黴菌做為研究拮抗微生物的主軸，進而探討牠對於植物病原菌的抑菌能力與防治植物病害的功效，藉以研製拮抗菌的製劑配方，並建立生物分析檢測技術。
微生物製劑的組成配方與其營養添加物，除可影響標的微生物的拮抗能力與儲架壽命外，也會影響農作物的生育。此外，如何適時、適地且有效地把微生物製劑導入作物病害綜合管理體系中，使其發揮優異的防病功效，也是研製微生物製劑過程中不可忽視的重要評估項目。
如果要把拮抗菌開發成植物保護製劑，首先必須了解拮抗菌的生物及化學特性，並考量拮抗微生物、病原菌、環境與作物等相關因子間的交互影響關係，然後把要防治的病原對象納入病害管理體系後，才能減少不利於環境的衝擊，真正達到植物保護製劑的效果。
鏈黴菌具有廣泛抑制植物病原真菌的功效，開發鏈黴菌的重要課題，包括深入研究鏈黴菌的生態與生理特性，探討鏈黴菌與農作物及栽培基質的親和性，明瞭作物病原菌與鏈黴菌在寄主植物生長環境中的消長，評估鏈黴菌對於逆境（如殺菌劑、殺蟲劑、除草劑等）環境的抗感性，以及追蹤鏈黴菌生長與繁殖的必備條件等。此外，對於牠在田間的施用技術及儲架壽命等，都應不斷地追蹤與改良，進而把牠導入農業生態體系中，做為生物防治用的菌種，以研製具有防病功效的植物保護製劑。
