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生物農藥:保護植物的重要菌源–鏈黴菌

鏈黴菌可以產生多種二次代謝物,除可當作人類的醫藥及家畜飼料的添加物外,還可維護植物的健康,是研製植物保護製劑的重要菌源之一。
 
 
 
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。
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