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農業安全思維下的害蟲防治:以病毒防治農業害蟲

103/07/09 瀏覽次數 8440
昆蟲占全球生物物種的80 % 以上,具耐逆境的適存特性,然而也與其他動物一樣,在自然環境中會遭受病原微生物的感染而死亡。這些蟲生病原菌具有專一性,包括細菌、真菌、病毒、微孢子蟲、立克次氏體、線蟲等。其中,核多角體病毒可以直接應用在農業害蟲防治上,也可搭配基因工程製造疫苗幫助人類抵抗疾病。

自19世紀至今,國際上已上市的病毒微生物製劑商品逾40種。而田間實際應用結果也證實,核多角體病毒的防治效果甚至比化學藥劑好。最常應用的實例多屬於鱗翅目及葉蜂害蟲的防治,如防治森林害蟲吉普賽蛾、天幕毛蟲、紅頭松葉蜂、黃松葉蜂、花旗松毒蛾及美國白蛾;防治蔬菜害蟲小菜蛾、甜菜夜蛾、斜紋夜蛾、玉米穗蟲、甘藍夜蛾、大豆夜蛾、黎豆夜蛾、黃地老虎、紋白蝶、蘋果蠹蛾、棉鈴蟲等。這些都包含在昆蟲桿狀病毒科中的兩屬病毒群 ─ 核多角體病毒及顆粒體病毒 。

奈米級的結構

核多角體病毒是由雙股去氧核醣核酸與蛋白質外鞘組成核蛋白鞘,包裹在脂蛋白的被膜內,其外再由多角體蛋白質以晶格狀排列形成多角體,或稱包涵體,直徑約1~10微米,包含數十或上百個病毒粒子。

多角體蛋白質可保護病毒在田間抗陽光紫外線、乾燥或其他化學因子,使病毒的活性不受破壞。多角體表面又圍著一層富含碳水化合物的外鞘,對病毒的穩定性有增強作用,因此在自然界的土壤中可存活十餘年。

昆蟲的致病途徑

病從口入是絕大多數病毒感染的重要途徑。病毒多角體經由幼蟲取食進入腸道,藉由鹼性腸液及特定蛋白質分解酵素的作用溶解多角體蛋白質,釋出具感染力的病毒粒子。病毒粒子的被膜與寄主中腸柱狀細胞微絨毛膜發生膜融合作用後,核蛋白鞘進入細胞中,移向細胞核表面再以一端對上細胞核膜孔,鞘蛋白則在細胞質內分解,使得病毒核酸進入寄主細胞核內。

接著,在核仁中產生反覆的核酸複製、蛋白質組裝,再形成新的病毒。病毒在昆蟲血體腔內就感染所有的組織及細胞,包含脂肪體細胞、真皮層細胞、肌肉鞘、氣管鞘、血球、神經細胞等。病毒在細胞核內大量複製多角體後,受感染的昆蟲細胞核腫大而崩解,釋出無數的病毒。

感染病毒的昆蟲

健康的昆蟲與生病毒病的昆蟲如何分辨呢?罹病蟲體在末期會呈現明顯的病徵,如體節間腫脹、體壁顏色淡化、喜爬至高處呈倒吊姿勢、體腔及表皮細胞全數病變,最後導致蟲體潰爛死亡,並流出乳白的大量病毒多角體。

昆蟲感染病毒的發病情形與人類感染流行性感冒很類似,幼蟲感病後經過3~9天的潛伏期才呈現病徵。其速度依感病幼蟲齡期、病毒劑量、環境的溫溼度等而有很大差異。昆蟲和人類一樣,年幼的個體較敏感易受病原侵害。幼蟲對病毒的感受性隨著齡期的增長而有下降的趨勢,即老齡的幼蟲會表現對病原的抵抗性,稱為成熟免疫性。

病毒接種濃度愈高,則死亡率愈高,潛伏期也愈短。即使病毒劑量未能在幼蟲化蛹前使其罹病死亡,也會形成不正常蛹或降低繁殖力,甚至影響下一代卵的孵化率及幼蟲存活率。隨著溫度的下降,幼蟲發病的潛伏期及罹病死亡的時間也明顯延長,隨著溫度的上升,感染時效及嚴重性都會增加。

病毒的田間傳播

這種病毒如何在田間自行傳播呢?由於自罹病蟲體釋出病毒會殘留在田間植物表面上,使得經過或取食葉片的其他活蟲也因此而感染,產生水平傳播的疫病。病毒也可由捕食性天敵或寄生性天敵傳播,受病毒包涵體汙染口器的食蟲蝽象可使網室內擬尺蠖的蟲口密度下降。膜翅目的小繭蜂科和姬蜂科雌蜂在產卵的過程中,也會扮演傳播病毒的角色。

病毒也可經由附著卵表面的汙染或經由受精卵的傳染,使病毒由母代傳給子代,達到垂直傳播的效果。一旦環境條件適合,這流行疫病可以造成害蟲棲群的大量死亡,農作物就可免於害蟲危害,因而有微生物防治的效果。

雖然核多角體病毒具寄主專一性,須在特定種類的寄主活體細胞內感染增殖,不需擔心會汙染環境或對人畜及其他有益昆蟲產生影響。但就防治多元性害蟲的實務需求上來說,這生物特性的缺點就是寄主域窄及殺蟲時效慢,且在潛伏期間罹病幼蟲仍會繼續為害作物。這是農民無法接受的弱點,在防治效率上遠不如高毒性、速效性的化學藥劑。

為改進病毒在防治害蟲上的缺點,自1980年代起,已有許多專家學者試圖利用基因工程改造核多角體病毒,以加速殺蟲時效及範圍,包括以其他節肢動物如蜘蛛、蟎或蠍的神經毒,以及微生物的毒素、昆蟲本身的激素,或分解酵素基因片段轉殖到病毒的染色體內。

大量生產病毒的方法

想要應用病毒做為防治害蟲的天敵,首要克服的關鍵問題就是如何自行大量生產。由於病毒是絕對寄生病原微生物,無法用一般培養基進行體外繁殖或發酵,通常是用蟲體進行感染來繁殖病毒。因此農民的第一步就是向試驗機構或大專校院取得核多角體病毒後,先噴布於田間有害蟲的地方,5~7天後在植株頂梢採集罹病蟲體,貯存於小塑膠罐並放入冰箱中。待收滿約500毫升,再把所有病蟲加10倍清水稀釋,用果汁機均質打散後以紗網過濾,再用50~100倍體積的水稀釋後噴灑於田間。

或者,採集田間健康幼蟲放進大型尼龍紗網內封口,並放入植物供幼蟲食用。然後把整袋蟲隻浸入病毒稀釋液中,約1~2分鐘後再把蟲袋取出置於田園無太陽直射處。5~7天後收集網袋內病蟲,田間溫度愈高則罹病速度愈快。利用上述方法循環增殖病毒、收集病蟲、均質過濾,就可持續利用田間害蟲自行量產病毒供防治害蟲用。病毒宜儘量貯存在冷凍箱中以保留完整活性。

防治效果的確保

有了足夠的病毒做為殺死害蟲的利器,也要注意降低負面因子的影響,才能確保有好的防治效果。昆蟲病毒雖然可以在環境中續存很長的時間,但其致病活性仍然受到田間許多因子的影響,如紫外線的傷害、不同溫度下的穩定性、對酸鹼的忍受性、在植株及土壤中的持久性等。

早在1950年代已證明波長280~400 nm的短波紫外線會使病毒失去活性,經自然陽光曝曬一天後就有50 % 以上的病毒失去活性。溫度、溼度、pH值等的影響都較小,雖然攝氏15~45度的田間溫度對多角體的穩定性並無影響,貯存於攝氏零下20度及5度下,直至15年後仍不失其活性。

一般強酸或強鹼都會造成多角體的破壞而使活性降低。於pH值7.0時活性不受影響,pH值4.0及9.0時活性稍微降低(< 15 %),在強酸、強鹼及含高濃度氯離子的溶液中,則易喪失活性(pH值1.2及12.4時,95 % 以上無活性)。另外,福馬林及次氯酸鈉會嚴重破壞病毒活性。

多角體在葉面上的持續性受到葉片種類、構造、分泌物及露水成分的影響。為了延長病毒在田間的生物活性,以提高其在田間的感染率,也開發了利用抗氧化劑、亮光劑、染劑、活性碳或胺基酸等做為保護劑,以加強病毒對紫外線具不同抵抗力的效果。

國內本土的甜菜夜蛾核多角體病毒也於1996~2000年間在宜蘭三星及壯圍地區推廣試驗,目前該區農友依上述DIY方式自行生產病毒施用防治甜菜夜蛾,每公頃既可節省約10萬元的農藥費用,又可解決過度依賴化學殺蟲劑而造成殘留的問題。

然而,在田間施用時要特別注意:稀釋病毒的水體不可直接用自來水,因為若水質中含有高濃度氯離子,病毒會失去致病活性,也需避免使用工廠排放的廢水,而應以中性清水及未受汙染的地下水為宜。病毒在自然日光照射下很容易喪失活性,尤其是夏秋之際應避免在中午時分施用,可考慮在傍晚日落時噴灑。雖然病毒可與其他化學農藥混合使用,但應注意混合農藥的酸鹼度及含氯濃度。

微生物蟲生病原菌無法像有機磷或胺基甲酸鹽類的神經毒殺蟲劑一般速效,病毒施用後尚需一段潛伏期(夏秋約4~6天、冬春約7~10天),罹病蟲體才會死亡,且感病期間仍會繼續為害作物。欲利用蟲體繁殖大量病毒時,避免與上列速效型化學殺蟲劑混合,以免蟲體短時間內死亡,導致病毒在蟲體內增殖時間不足而降低病毒產量。病毒對害蟲具極高度寄主專一性,因此必須確認害蟲種類以對症下藥,如防治斜紋夜蛾時應施用斜紋夜蛾核多角體病毒,才能達到良好的防治效果。

防治害蟲的利器

許多國家長期過度依賴化學藥劑的施用,易造成農業生態系失衡、加速害蟲抗藥性的產生,且有違反農產品農藥殘留安全容許量規定的疑慮。在日益高漲的環保意識與農民操作安全的考量下,如何研發非農藥防治資材以合理減量用藥,並提供農民防治害蟲的有機利器,是當前重要的植物保護課題。

核多角體病毒及顆粒體病毒可感染多種害蟲,造成罹病蟲體腫脹、組織潰爛死亡,並會降低雄成蟲的繁殖能力及子代存活率。且經由水平傳播或垂直傳播的途徑,在環境中以害蟲體內增殖的方式永續存在於田間,甚至可引起流行疫病,造成害蟲棲群遽降或瓦解。由於其對標的害蟲具高度致病性及寄主專一性,且對環境及人畜無害,因此可做為安全有效的微生物資材。

由於各種病原菌都有特定的適用條件及優缺點,透過使用方法與施用時機的改良,可建立利用多種微生物天敵綜合應用的防治技術,以提升生物防治效益,落實微生物天敵資材的實用性,並解決目前因濫用化學農藥致使菜農遭受殘留超量而滯銷的問題。

這類病毒除了可以單獨使用防治害蟲外,尚可搭配蘇力菌、蟲生真菌如黑殭菌、白殭菌,以及蟲生線蟲等病原微生物。綜合應用各種病原菌時,須謹慎考量其感染途徑、作用機制、致病力、生物生態特性、適用條件及優缺點,並配合作物栽培環境及氣候條件,才能充分發揮微生物防治的效果。

我國目前僅進口甜菜夜蛾的核多角體病毒製劑,而本土性桿狀病毒的研發進度,包含斜紋夜蛾、甜菜夜蛾、玉米穗蟲核多角體病毒,以及小菜蛾、小白紋毒蛾、紋白蝶顆粒體病毒等,都局限於大專校院及試驗改良場所的室內研究與小面積田間試驗,尚未能突破量產進入商品化的階段。期望在未來能依循我國法規,透過產學合作,完成技術轉移與農藥登記許可證申請流程,儘早把這類病毒開發成微生物農藥,以響應政府提倡的安全農業政策。
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