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牧草生產與利用新科技:狼尾草育種與多元化利用

狼尾草是國內草食動物主要牧草之一,經由品種改良、生產與管理技術研發與推廣,在其生產與利用上已大有斬獲。因應未來不同的需求,狼尾草尚有其他積極性的正面功能。
 
 
 
牧草除可提供草食性動物所需的蛋白質、礦物質、維生素等營養外,在環境與生態上也扮演重要的角色,如土地復育、生物多樣性、減廢、淨水、淨空、氣候調節、預防醫學、景觀與休閒等,這些顯示了牧草功能的多元性,只要應用得當,一支草會有很多露(路)。

我國加入WTO之後,農田大幅休耕,如何選擇可兼具生產、生態與生活功能的替代性作物或牧草,將是一大挑戰。狼尾草是國內草食動物主要牧草之一,二十多年來經由品種改良、生產與管理技術研發與推廣,在其生產與利用上已大有斬獲。鑑於國際及國內對環保與生態環境的日益重視,以及為了因應未來除動物利用外不同的需求,若育種選拔配合得宜,狼尾草尚有其他積極性的正面功能。

狼尾草育種

育種是特定目標改良方法之一,也是創造新品種的方法之一。親本血緣越遠其後裔變化越大,多用途選種機會越大,也包括了生物多樣化的利用,如畜牧用途、綠色食材、生態環境、生物防治、能源與環保等。狼尾草以無性繁殖為主,所使用的育種改良方法是雜交育種,包括品種間、品種內、屬間等雜交,再由雜交後裔族群中進行有目標的選育。

畜牧用途的育種包括牧草產量與品質選育,狼尾草原栽培品系的優點是產量高,缺點在於全株布滿刺人茸毛,造成收穫困擾與動物傷害。此外,生長速度快,老化也快,品質欠佳,因此茸毛性狀與品質改良是育種的目標。

選育過程包括一方面由同屬不同種的珍珠粟選出茸毛少、品質優的品系進行種間雜交,雜交後裔經特定目標性狀如無茸毛、產量與品質性狀選拔後,進行品系比較試驗,選出優良品系。然後進行區域試驗以了解新品系的穩定性,並進一步進行動物飼養試驗,以了解新品系對於動物的產出效果,再提出命名與推廣。例如民國81年育成並命名推廣的狼尾草臺畜草一號,它的特色是半矮性(株高150公分以下),全株無毛茸,葉多莖少(葉多且營養成分高是品質的指標之一),消化率高,適用於小型動物,如山羊、豬、家禽類以及放牧用。它的缺點是產量比原栽培種低,而且是三元體(2n = 21),以無性繁殖為主,無法進一步改良。

另一方面由狼尾草種內選出優良親本,進行種內雜交,選出優良品系。例如民國85年育成且命名推廣的狼尾草臺畜草二號,它的特色是植株高大(200公分以上),牧草產量高,甜度高,適口性佳,毛茸少,適用於中、大型動物如牛、羊等。其他育成但尚未命名推廣的品系,包括適合中小型動物及防風林利用的半矮性品系,與適合放牧與家禽利用的高消化率矮性品系。

品種間、屬間雜交往往有雜交不孕等問題,如狼尾草(四元體,2n = 28)與珍珠粟(二元體,2n = 14)種間雜交種(三元體,2n = 21)無法結子,有兩種方法可以解決。一種是以秋水仙素處理種間雜交種種子,加倍其染色體,產生複二元體(2n = 42),優點是後裔無分離,缺點是無選育空間。

另一種是由不同來源的珍珠粟與狼尾草雜交,選出能形成不減數的2n配子且能結子的後裔,以產生複二元體,它的優點是可由後裔分離族群進行不同用途的選育。這個方法是國內首先在狼尾草雜交後裔中發現的,且已由2n配子的後裔選出結實性狀及農藝性狀較優的複二元體,其甜度與纖維消化率較栽培種狼尾草高,可進一步做為改良的親本。如甜度高的可利用於代替能源生產材料等,並用以了解染色體倍數性與性狀產量的關係。

由於狼尾草是異質多元體,如以種子繁殖,它的後代會分離成不同型態的植株,產量與品質很難掌握。因此,一般以無性雙芽苗繁殖,有如甘蔗。但是大面積種植時,成本高,為了能以種子繁殖,首先必須能快速固定性狀。

無融合生殖是高等植物不經雌雄配子結合,直接由體細胞等產生種子的一種無性繁殖方式,產生的後裔與母本相同。依其發生的遺傳控制及環境因素影響,可分為絕對性的無融合生殖及偶發性的無融合生殖。

對作物育種而言,絕對性無融合生殖的利用價值高,優點是:無融合生殖植株有高度異質性,若與可親合的有性雌親雜交,可獲得大量遺傳變異;雜種優勢若存於無融合生殖植株的雜交子代中,則其雜種優勢可迅速固定;可做為大量雜交種子的商業生產,替代雄不稔系統,簡化雜交種子生產過程,降低生產成本,已被視為另一次的綠色革命。尤其是目前的基因轉殖技術發達,一旦轉殖成功,許多優良性狀就可快速固定。

野生狼尾草是狼尾草的相關近緣種,具有絕對性的無融合生殖方式,目前已有許多研究者把這個特性由野生種狼尾草轉移至栽培種,以解決雜種不稔的問題,並快速固定雜種優勢。根據(珍珠粟×狼尾草)×野生狼尾草三向雜交後代的外表型態及胚囊發育觀察結果,無融合生殖特性已由野生狼尾草轉移至栽培種中。選出含無融合生殖基因的狼尾草,在自然受粉下,其後裔外表性狀與母本相同,顯示外表性狀已迅速固定。利用分子生物技術已篩選出專一的遺傳標誌,以做為品種鑑定及性狀篩選或輔助育種選拔的工具。

綠色食品材料

近年來消費者的健康意識抬頭,對於食材的要求逐漸趨向以健康為訴求,因此,尋找高效能又安全的天然抗氧化或機能性保健食品已成風潮。牧草中用於人類食品材料最普遍的是紫花苜蓿,苜蓿在中國始載於漢末的《名醫別錄》:「苜蓿,安中利人,可久食。」紫花苜蓿含有蛋白質、維生素A、B1、B6、維生素C、E、K、黃酮素、異黃酮素、硬脂醇、香豆素衍生物、礦物質等營養素,被稱為「食物之父或芻料之后」,具有諸多保健功能,已普遍做為保健食品。

狼尾草做為食品材料是近年來才開始的。狼尾草臺畜草二號甜度高,含豐富碳水化合物、粗蛋白質、葉酸、維生素C、維生素E、葉綠素、β胡蘿蔔素等,葉鞘毛茸少,產量高,適口性佳且適應性廣,容易栽培,生長迅速,每8至10周可收穫一次。加上它是多年生,種植一次可收穫多年,抗病蟲害,不必施用任何農藥或生長素,材料取得方便,實在是一優良的環保健康植物。

由於狼尾草非第一類的傳統食用與加工食品,屬於第二類非通常加工食品及第三類非傳統食用食材,須進行餵食試驗、基因毒性試驗、致畸試驗等。經28日至90日餵食試驗、毒性與基因突變試驗,由小白鼠的血液學、血清化學和病理學檢查,以及TA98和TA100菌株的基因突變試驗結果,都顯示狼尾草並無毒性。分析其抗氧化物質,發現具有類似茶葉的抗氧化活性,且含有一些酚類化合物,包括香豆素、芸香、檞皮素等與抗氧化能力有關的物質。

由於茶葉中含有不同的酚類化合物,可供應生物體許多生理活性,如預防DNA損傷、抑制低密度脂蛋白氧化等,因此茶類飲料一直廣受大眾喜愛。狼尾草清除自由基與抑制過氧化的能力,都與各種茶類效果相近,而無農藥顧慮且咖啡因少是它的優點。

狼尾草品種中的紫色狼尾草,含有花青素等類黃酮物質。花青素是植物的花、果實及根莖中常見的成分,是許多水果、蔬菜如洛神、櫻桃、桑椹、紫蘇等的顏色表現,屬於類黃酮家族的天然色素,具有強抗氧化能力及生理機能活性。目前狼尾草已廣泛利用於蔬菜、飲料、各類加工與健康食品等,並被譽為「養生草」,顯見其用於健康食材是有潛力的,值得有系統地加以研究,提供另類安全可靠的保健食品材料,開拓牧草利用多元化的契機。

生態、保育與能源

位於肯亞的國際昆蟲與生態中心發展出克服非洲農業玉米生產問題的方法,就是利用狼尾草與豆科Desmodium防治玉米螟與雜草,效果良好。

其方法是在玉米田外圍種植3行狼尾草以保護植物,玉米田內行距間種植豆科Desmodium。由於狼尾草會吸引玉米螟,並產生一種膠質黏液補捉螟蟲,最後僅約10%螟蟲會存活。而Desmodium是覆蓋作物,散發的氣味會驅逐螟蟲,且可控制頑劣雜草、提供土壤氮肥與動物芻料。因此,螟蟲在玉米田內被驅逐,而外圍狼尾草則扮演請君入甕的角色,形成所謂的「Push-Pull」生物防治系統,這方法可做為有機農業管理的參考。

臺灣的能源98%仰賴進口,在積極尋求代替能源時,巴西成功開發出石油替代品,且擁有廣泛使用乙醇汽油和酒精燃料的成功經驗,值得我們借鏡。目前臺灣每年有24萬公頃廣大面積的休耕農田種植綠肥作物,政府每年要補貼近120億元新臺幣。如休耕農田轉為種植能源作物,不但可以解決農地廢耕的問題,還可以增加能源自給率。此外,種植高油脂作物由於其根部能吸收空氣中的氮,更能有效減少化肥的使用,實是一舉數得。

能源作物的利用形式有數種,以往把快速生長的林木砍伐後做為發電的燃料,因需要廣大的造林土地,現階段並不適宜採用。目前較受矚目的能源作物利用方式,是轉化成酒精或生質柴油替代傳統汽油及柴油。

能源作物須具有以下的特質:生長快、乾物產量高、生育期間短;適應性廣、容易栽培;能源生產量高;生產成本低,搬運容易等。近年來農委會開始積極在宜蘭三星、雲林古坑、臺南學甲等地區試種大豆、油菜、向日葵等油料能源作物,若能成功推廣,預估每年可生產至少25萬公秉以上的生質柴油。

在美國夏威夷的評估報告中,狼尾草已被列入有潛力的能源作物之一,初步評估每生產1噸狼尾草乾物質約需美金52~97元(灌溉與否),產生每加侖酒精約需美金0.77~1.45元,比甘蔗的美金0.54~1.01元高。每噸狼尾草乾物質可生產約67加侖酒精,比甘蔗的105加侖低。

國內正值推展代替能源的時機,狼尾草的優點在容易栽培、多年生、每年可收穫多次、生長快、乾物產量高約可達60~80噸/公頃/年、適應性廣、生產成本低、搬運容易等。缺點是糖分較低,相對能源生產量較低,但是從育種族群中選育高產量與高糖度的狼尾草是可能的。

農田與土地的超限使用與破壞,常引起水保與環境的變遷,尤其是在坡地種植不適當的作物。而牧草是水土保持的中堅作物,根據美國報導,比較行栽玉米與蔓生牧草地的沖蝕與逕流損失,行栽玉米1.5年土表被沖蝕1英寸,相對覆土良好蔓生牧草地,土表被沖蝕1英寸需7,500年。肯亞中部高原區的坡度約20~40%,利用幾種不同樹種與草類組合的等高線灌木樹籬系統,以減少土壤沖刷、保持肥力、增加作物生產力等,其中以狼尾草與豆科灌木Calliandra配合有良好效果。

國內澎湖造林推動小組造林工作隊,以種植狼尾草取代鐵絲塑膠網,以達到早日綠化、減少公害、降低成本等功效。這方法效果良好,曾受到國際學者專家的重視。要做為防風與水土保持用途的狼尾草,以節間短的為宜,如半矮性狼尾草。

狼尾草也可做為紙漿、環保餐具材料的來源,目前環保餐具材料包括塑膠、木材、木屑、竹子等,其中木屑品質與衛生不穩定,利用狼尾草高產量、高量纖維、無農藥問題等優點,是一條可思考之路。
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