植物的守護者---微生物農藥

 
2018/07/03 李讃虔 | 自由撰稿者     180
 

唐詩有云「鋤禾日當午,汗滴禾下土」令人感受到農夫田間工作的辛苦,農忙時分,農田間的昆蟲想必雀躍萬分,因為遍地都是食物,想當然耳昆蟲一定紛紛前來分一杯羹,有些植物雖然懷有基本的防禦功夫,像是有毒的植物鹼,令昆蟲討厭的氣味或植物的免疫反應等,以之避免昆蟲與病媒的騷擾。但大多數的作物仍需人們的細心照料,如果沒做好病蟲害管理,將會導致農作物外觀不佳、減產,使農民權益受損。因此,減少病蟲害的發生,也是作物栽培過程的重要一環。能在短時間內消滅大面積病蟲害的化學農藥便成了農夫手上最有效的武器,由於需求量高,使得許多農藥化學公司,例如:Syngenta、Monsanto、Bayer等都獲得豐厚的利潤。

 

化學農藥固然藥效迅速,但對於環境與生態的破壞嚴重,對人體也有不小的影響,例如DDT的案例殷鑑不遠,益達胺的藥效對益蟲或害蟲皆有影響,硫敵克、加保扶等化學農藥也曾被發現殘留在食品中等案例,皆甚引人詬病。近幾年來,因為環境生態保育與永續經營的觀念抬頭,人們希望農作物在栽種過程中能避免使用有害的農藥、減少化學肥料的施用,故開始提倡「有機農業」、「自然農法」等觀念,讓農地可以保持肥力與維持土壤的物理、化學特性。

 

「微生物與健康產業:微生物與有機農業」一文即提到,利用微生物來進行生物防治,可說是新一代的「綠色革命」,也使得在傳統農業中原本不受重視的土壤微生物,因此躍上舞台。近年來隨著土壤微生物多樣性資源的開發,各地農田已經逐漸降低對化學農藥、肥料與除草劑的依賴,並增加有機肥料、生物農藥的利用。適當地使用微生物農藥、供給土地充足的有機質,讓有益的微生物充滿在作物的生長環境中,使有害病源不易靠近、傷害作物,即是自然農法追求的目標。

 

 

學者發現,自然界中有許多微生物(包括細菌、真菌、病毒、原生動物等)能抑制或殺死植物病原體或誘發植物的抵抗性,而達到減少病蟲害、保護植物的效果,若以之取代對人體有危害的化學農藥,即稱作「微生物農藥」。有部分微生物可再經人工品系改良,如人為誘變、汰選等方式產生出具有其他功能的,亦屬之。讀者從「微生物農藥:細說微生物農藥」一文中,可以得到微生物農藥種類的初步認識。

 

在這麼多種微生物農藥中,大家最耳熟能詳的應該是專門對付昆蟲且對人體無害的「蘇雲金芽孢桿菌Bacillus thuringiensis(簡稱:蘇力菌或Bt)」吧! 這是一種昆蟲病原菌,當它被昆蟲吃下肚後,其內涵的毒蛋白會在昆蟲的鹼性腸道中被分解成為毒素,並穿破昆蟲的腸壁而達到殺蟲的效果。蘇力菌主要用來防治鱗翅目的害蟲,菌株對害蟲有專一性。而且因為人類及哺乳動物的消化道中有胃酸,可以破壞它的結構,所以蘇力菌不會危及人類與及哺乳動物,對蘇力菌作用機制有興趣的讀者,可以再閱讀「生物農藥:昆蟲的穿腸毒藥–蘇力菌」一文。

 

 

其次,「枯草桿菌」也是目前市面上較常見的微生物製劑,主要用於防治植物病害及促進植物生長,已經有許多防治成功的報告。它的作用機制包括了與致病細菌的生長競爭、抗生、抑制潛伏性的病害、誘導植物產生抗病性、促進植物生長等。在「生物農藥:植物病害的殺手明星–枯草桿菌」一文中即提到,枯草桿菌得名並不是因為它會造成草本植物的枯萎,而是因它係從乾枯稻草堆泡水數天後,細菌叢孳生的葉片中發現的桿狀細菌。它們普遍存在於土壤及葉片表面,會與病菌競爭土壤中的營養成分,而且是一種優勢菌種,可產生對多種病原菌有抑制作用的抗生物質,降低病原菌的危害,另因為它具有多重因子的抗生物作用,因此也不易發生傳統農藥常見的抗藥性副作用。枯草桿菌對逆境忍受度高,應用範圍也廣。在食品、飼料添加物及種子保護劑等生技產業上,都有不少應用的實例,屬於安全有益的微生物。

 

另有一類細菌---放線菌,可以分解幾丁質、破壞病原真菌的細胞壁,造成病原菌死亡;它也會分解線蟲卵殼,使線蟲卵無法孵化,降低線蟲族群的密度,與此同時,會產生大量的二次代謝物,這些代謝物中,包含多種可以抑制及毒殺病原菌的抗生素,對病害的防治具有雙重效果。

 

除了細菌外,真菌也可作為微生物農藥,在「微生物農藥:木黴菌、病原菌與作物的三角關係」一文中,提到了許多寄生在植物體內的真菌和細菌也會被其他微生物寄生,形成「超寄生」的現象。所謂「敵人的敵人就是朋友」在自然界也不例外。木黴菌早在1936年就已經被用以做為防治立絲枯核菌引起的植物疾病,後續的研究更顯示它也能防止多種細菌與線蟲引起的疾病,這些疾病大多是透過土壤傳播的病害,而木黴菌也可以刺激植物生長以及對病菌的抵抗能力。這種宿主-寄主-超寄主之間有趣的三角關係,也是生物農藥神奇的一面。

 

有部分真菌可以在活的蟲體內生長,稱為蟲生真菌,著名的冬蟲夏草即屬於此類。常用在害蟲生物防治上的真菌,主要有白殭菌、綠殭菌、黑殭菌、蟲黴菌等。藉由孢子隨風傳播,隨機附在寄主的體表,它們具有宿主的專一性。這類型的真菌有些屬於原生病原,會直接感染昆蟲寄主造成昆蟲生病死亡,如家蠶的白殭菌、金龜子幼蟲的黑殭菌、夜蛾科幼蟲的綠殭菌、蚜蟲的蠟蚧輪枝胞菌等。在「農業安全思維下的害蟲防治:昆蟲也會生病」一文中即針對昆蟲僵化死亡的感染過程做一個描述。這類型的真菌可以在田間收集蟲屍上的真菌孢子,由實驗室分離後純化培養,再經過科霍氏準則驗證其病原性後,就可開發大量培養技術,培養蟲生真菌的分生孢子,生產製劑並商品化,提供給有機農戶。讀者若想了解生物農藥的應用範圍,可以觀看「微生物農藥:微小世界的貢獻–生物農藥」這篇文章。

 

 

病毒不同於前述的細菌與真菌,它必須在活的細胞組織內才能複製與繁殖,故被應用在微生物農藥上的病毒,必須是能感染昆蟲的病毒。在「農業安全思維下的害蟲防治:以病毒防治農業害蟲」一文中,就針對如何將病毒應用在蟲害防治上,做了深入淺出的介紹。現今研究較多的桿狀病毒,就是一種專門感染無脊椎動物,但對人類無害的病毒。當昆蟲吃到病毒顆粒時,病毒會在昆蟲鹼性的腸道內活化,病毒的核蛋白質鞘被釋入細胞內,在昆蟲細胞核的中央製造新病毒,組合並生產許多核蛋白質鞘,最後出芽離開感染的細胞,這種病毒稱為胞外病毒。之後進入昆蟲血液循環系統,在體腔內循環,散布到昆蟲各器官和組織的細胞中。在感染末期,病毒會被顆粒體蛋白包裹住,成熟的顆粒體表面再被一層醣組成的被膜覆蓋。昆蟲細胞最後會崩解,病毒顆粒就釋入昆蟲體腔內。被感染的昆蟲器官組織最後會液化,體液內充滿游離狀的病毒,表皮脆弱一觸即破,流出含大量封埋體的濃汁,病毒因此散布在環境中,等待下一隻倒楣的昆蟲來取食。

 

在「微生物農藥:桿狀病毒的應用」一文中描述了桿狀病毒的研究史,感染過程的細節與應用於生物防治上的優缺點,由於桿狀病毒寄主範圍狹窄,僅對某些目標昆蟲有感染力,對其他益蟲(例如蜜蜂)和害蟲天敵則無毒性,對脊椎動物也是安全的。惟其缺點是需時較久,約一星期左右,才能殺死害蟲;而且病毒易被紫外線破壞、乾燥環境也會降低其活性,而且病毒進行絕對寄生,故只能用活的昆蟲培養,若要大量生產,相對於化學農藥,這方法就顯得耗時,也需更多的經費投入。但對科學家而言,桿狀病毒仍舊是個好材料,藉由基因工程修改病毒致病的生長速度與應用層面,並致力發展大量生產病毒的技術以降低生產的成本,未來應用的前景仍值得期待。

 

 

人類對生活品質的要求日益提升,對食物已經不只是要「吃得飽」而已,還要「吃得安全又健康」,講求無毒又安全的有機農業遂應運而生。誠如「生物科技:微生物的另類角色–害蟲防治」一文所提,人類社會的發展與農業密不可分,而昆蟲繁殖能力強,活動範圍廣,因此與人類接觸的機會多,人蟲衝突自然日趨緊張。草食性昆蟲會侵襲農作物,造成農損;有些則會吸取植物汁液,造成植物表面有傷口,易遭病毒感染而死亡,除了蜜蜂、瓢蟲與螳螂外,多數昆蟲在充滿作物的田間都是不受歡迎的客人。

 

微生物農藥的特點是具有物種選擇性,一種微生物農藥只對某些特定標的昆蟲有殺傷力,而不會危及不相關的物種,這也讓微生物農藥不致於像化學農藥般地把農地弄成一片焦土,毫無生機。其相關的物種應用,在「微生物農藥:微生物殺蟲劑」列舉了許多例子。正因為有此優點,科學家們仍持續努力研究、期望能開發出更多的生物農藥資源,讓人類的生活,環境的永續,能夠並行並進。這些有益於農業的微生物除了可減少化學農藥及肥料的過度使用,讓土地能永續利用外,作物健康無殘留藥物毒害,也讓我們對農產品的食用更加安心。