第二卷第三期 (提要)
除草劑添加增效劑(ADJUVANT)之簡介
Triazines類除草劑之抗性機制簡介
水懸乳劑(Suspoemulsion)
南亞及東南亞稻田雜草種類(書)簡介
除草劑添加增效劑(ADJUVANT)之簡介
朝陽技術學院應用化學研究所 陳家鐘
當我們使用萌後除草劑時,通常可添加一些增效劑來提高除草劑的藥效,這些增效劑包括了界面活性劑、油脂類與肥料,它們能增效的原因大都是促使除草劑盡量停留在葉面上,而且也加速除草劑穿透葉面被吸收。但是有時候增效劑使用不當時,會導致藥害或甚至減低除草劑的效果。本文就已知有效的增效劑使用方法做一個簡單的報告:
界面活性劑
加界面活性劑在噴液裡的主要目的是增進噴液在葉面上的停留及吸收。界面活性劑因各種化學組成之不同,而可能有不同的效果,效果也會依除草劑的種類和配方而改變,因此效果必須由田間試驗來決定,而無法從單純的表面張力試驗來預測。
大部份做為增效劑的界面活性劑為非離子性的,因為這樣較不會與除草劑起離子反應而減低效果。界面活性劑可增效的作用機制可有多項,它可以降低噴液之表面張力,增加除草劑之穿透葉表面之能力,增加噴液黏著在葉面上之機會,減緩噴液蒸發的速度。通常來說,界面活性劑一進入植物後本身即刻分解,而且其分解產物在植物體內不會移動。
界面活性劑做為增效劑時,其使用量一般為每100公升之噴灑液使用0.1~05公升。例如使用嘉磷塞而用有機矽界面活性劑做為增效劑時,效果較為顯著,若用其他非離子型界面活性劑,則不見得有增效之效果。
石油系油脂
有些除草劑之施用會引用到石油系油脂(Petrolcum oil)做為增效劑。此類油脂亦可降低噴液之表面張力,增加液滴附著葉面的機會及延緩液滴蒸發之時間,因而可使多一點的除草劑能穿透葉面。
有些除草劑(例如Poast及Select)很容易在紫外光下分解,所以使用此類油脂幫助除草劑在未被陽光分解前快進入植物體。Select也對噴灑液之酸鹼值很敏感,在pH小於5時,Select分解特別快,若加入一些如Dash的增效劑,則Select被吸收的速度加快,效果會更加顯著。
甲基化蔬菜油
當甲基化蔬菜油(methylated vegetable oil ，MV0)配合非離子型界面活性劑與液態肥料做為增效劑時,有相當多的除草劑可以增加其殺草效力,這些除草劑包括Accent, Amber, Assort, Assure II, atrazine, Banve1, basagran, Beacon, Betamix, Betanex, Bladex, Blazer, Fusilade2000, Fusion, Option II, Pinnacle, Poast, Pursuit, Select以及2,4-D 。但是已佑除草劑Cobra則應使用石油系油酯而根本不能加甲基化蔬菜油,而glyphosate 也不能使用油脂類做為增效劑。
一般而言,當氣候乾燥,降雨量低的時候,甲基化蔬菜油的增效效果會大幅提高。
甲基化種子油
當甲基化種子油做為Poast或Accent的添加劑時,增效的效果特別顯著,但是除草劑glyphosate不應使用甲基化種子油做為增效劑。
甲基化種子油在下列的狀況之下較容易顯示出增效效果;(1)在乾燥炎熱的天氣下,缺乏雨量,濕度低的區域。(2)雜草之生長較猖獗的時候。(3)除草劑的施用量較低的時候。(4)目標雜草較難以單靠除草劑加以控制的時候。
Triazines類除草劑之抗性機制簡介
國立中興大學農藝系許悸偉、王慶裕
一、前言
台灣氣候屬亞熱帶型,植物生長繁茂,適宜多種作物生長,但是卻常因為水旱田中多達數百種的雜草伴隨滋生,使得作物產量及品質降低,在作物栽培管理上造成困擾 (蔣和蔣, 1983)。在雜草叢生的栽培環境中,作物常會與雜草在水分、養分、光線和生長空間上的強烈競爭、毒他作用(allelopathic effect)等影響,或由於雜草成為病蟲害的寄主,使得產量或品質降低。因此,本省早在民國四十三年,即自日本引進2,4.D(2,4.dichlorophenol acetic acid)除草劑作為水田雜草防除之用,使得雜草防治管理有了更經濟而有效的方法;近年來工商業快速發展,農村勞力供給不足,施用除草劑幾乎完全取代了傳統的人工除草方式,使除草劑之使用成為作物栽培管理上重要的一環。
在作物栽培環境中,若長期施用化學藥劑來防治雜草,會對雜草的生長和繁殖產生選汰的壓力,使得某些雜草品系因此而產生生理或生化上的適應性,最後演變成在施藥環境下具有最佳生存力與增殖力,並利用生化遺傳上的機轉而產生具抗藥性的子代。回顧triazines系列除草劑之抗性研究,在1958年首先發現某蠹吾屬雜草(Senecio vulgaris L)對常用的旱田除草劑atrazine具有抗性,十年後又發現與atrazine同屬於triazines系列之除草劑simazine在某些雜草的防治上也失去了應有的效力(RyaI1,1970)。到1985年為止,已陸續發現二十幾種雜草對triazines系列的殺草劑具有抗性(Gresseland Ben-Sinai,1985),直至1992年,國外更發現至少有55種玉米田間雜草之生物型(biotype)可抗triazine系列除草劑(Burnete et al.,1993)
從1970年以後,研究人員便開始廣泛的探討這些抗性雜草生物型內所存在的triazine抗性生理機制。在早期的研究中大部分著重於比較蠹吾屬(Sonecio vulgaris ),黎屬(Chenopodium album ),及莧屬(Amaranthus sp.)之抗性生物型之間對於triazine之吸收轉運與代謝上之差異性。而在1980年左右之研究重點則開始偏重於triazines 除草劑植株上作用位置之研究(c.f Raddesevich and Holt,1982)。此後由於生化及分子生物學的快速發展,加上更多科學家的研究,逐漸對於抗性機制有更多的認識。本文僅針對1980年代以後triazines類抗性之相關研究作一概略介紹。
二、存在目標位置(target site)之抗性機制
一般常見的除草劑依其殺草原理,大致上包括抑制光合作用型、auxin型、抑制脂質合成型及抑制氨基酸合成型等數種類型(Cobb,1992)。而其中抑制光合作用型之除草劑,依其作用方式亦可再細分為(1)抑制光反應系統II(photosystem II)型,如尿素類(ureas)(例:diuron、isoproturon、chlorotoluron、linuron等);Triazines類(如atrazine、simazine、prometryn、terburyn等);Triadnones類(如metribuzin、metamitron);Uracils類(如lenaci1、terbacil等);Anilides類(如propanil、pentanochlor);Phenylcarbamates類(如phenmedipham)及其他類(如bentazone)等。(2)抑制光反應系統I(photosystem I)型,如paraquat等。(3)抑制葉綠索、類胡蘿蔔素之色素合成型。而其中更以抑制PS II除草劑之研究報告最為詳盡,triazines系列除草劑的作用機轉即屬此類(Wright and Gorbett, 1979; Pfistor and Arntzen,1979)。在triazines系列除草劑中使用最普通者,即是atrazine(俗稱草脫淨)。此除草劑最早發現於1950年代,其後便成為甘蕉、玉米及高梁等旱田防治雜草之重要除草劑。
早在植物對atrazine的抗性機制尚未明暸前,育種學家已利用小油菜(Brassica napus and Brassica campestris)與其抗atrazine的遠緣種雜草Bird's rape，以雜交方法育成抗除草劑油菜(Beversdorf.et al., 1980)。但由於許多作物之抗藥性類緣種很難發現,再加上雜交不易,故在抗除草劑作物的育種上困難頗多,因此若能清楚明白植物對atrazine產生抗性的機制,則或許可以利用遺傳工程技術的方法進行抗除草劑作物的快速育種,因此許多生理學家便開始著手探討抗性雜草在生化上的抗性機制。
首先在研究存在於目標位置(target site)之抗性機制時,科學家發現對植物施以atrazine 後,會阻礙其光合作用光反應系統II(PS II)中,電子傳遞鏈(electron transport chain)的正常進行,最後導致光能無法順利轉換成足夠的能量以供植物體使用,造成植物死亡(Wright and Corbett,1979; Pfister and Amtzen,1979),但對於atrazine究竟以何種方式破壞PS II系統仍不甚了解o後來生化學家嘗試以碳14-labeled azido-atrazine對光反應發生部位的葉綠體膜蛋白進行標定時,發現在非抗性植株的膜蛋白中可標定出一個大小約為32kD之蛋白,但抗性植株則沒有任何蛋白可被標定出(Steinback et a1.,1981;Pfister et a1.,1981)。經過研究比對後,證實此32kD之蛋白就是位於PS II系統中心部位的D1膜蛋白,此膜蛋白可利用共價鍵與plastoquinone結合進行Q循環(Andreasson and Vanngard,1988),而承續電子傳遞的工作。但若在atrazine存在的情況下,D1膜蛋白則會與親和性較強的atrazine結合,使得plastoquinone無法與Dl膜蛋白結合,進而阻斷PS II系統的電子傳遞,造成植物死亡。但存在科學家心中的疑問仍未解決,因為同樣是D1膜蛋白,究竟抗性雜萃的Dl膜蛋白發生了何種變化,可以使atrazine無法與之結合,但又不至於影響其與plastoquinone的正常結合?
由於D1膜蛋白為葉綠體psb A基因之產物(Andreasson and Vanngard,1988;Hirschberg and McIntosh,1983),故Hirschberg and McIntosh(1983)及Hirschberg et a1.(1984)首先以具抗性之莧科雜草Amaranthus hybridus的psbA基因為研究對象,將其定序後與正常莧科雜草的psbA基因序列進行比對,發現此雜草psb A所轉譯(translation)的多胜太(polypeptide)中,第264個胺基酸由原來的絲胺酸(Serine,簡寫為Ser)突變成甘胺酸(Glycine,簡寫為Gly),在核甘酸序列上的相對位置也由AGT變成GGT,因而推測此基因定點突變所造成的胺基酸取代作用,可能是植物對atrazine產生抗性的主因。不久,亦有人陸續發現龍葵(Solanum nigrum)、小油菜(Brassica napus)、十字花科植物Brassica campestris及矮牽牛(Petunia paradoxa)的D1膜蛋白第264個胺基酸由絲胺酸(Ser)變成甘胺酸(Gly)時,同樣也具有對atrazine的抗性(Erickson et a1.,1985; Reith and Straus,1987;Mazur and Falco,1989;Darnnency and Pernes,1985;Hirschberg et a1.,1984;Cheung et al.,1988)。接著又有研究者發現,莧科雜草Amaranthus nidulans的Dl膜蛋白之第264個胺基酸由絲胺酸(Ser)變成丙胺酸(Alanine'簡寫為Ala)時,該植株對atrazine亦有微弱之抗性。Sigematsu et a1.(1989)亦指出菸草(Nicotiana tabactum)的Dl膜蛋白第264個胺基酸若由絲胺酸(Ser)變成息寧胺酸(Threonine，簡寫為Thr)後,對atrazine也有微弱的抗性,而這幾種胺基酸的改變全都因為psbA基因上鹽基序列的定點突變而形成。
在確定了植物對atrazine的抗性是由於psb A基因上的定點突變所造成之後,開始有人猜測,這個重要的單一含氮鹽基位置的改變,可能會改變D1膜蛋白結構上重要結合區域(binding domain),致使atrazine不易與其結合,但與plastoquinone之結合卻不受影響。當然,解答這個問題最直接方法,就是直接分析出Dl膜蛋白的結構,並以其立體結構上之變異來探討不同D1膜蛋白的作用機制。由於葉綠體膜蛋白是位於雙性的膜上,本身具有極性與非極性兩種特性,要如何才能完整分離、穩定培養這些巨大的晶體,並定出高解析度的構造,是一件很困難的工作,因而對此研究有一段時間一直沒有進展。直到1980年初,由德國科學家Michel、Deismnhofer及Huber所領導的研究小組,投入了數年時間,才將紫色菌(pseudophotomonus)所有葉綠體膜蛋白完整的晶體順利分離出,並以X光繞射法解析其結構,其中與D1膜蛋白極相似的L膜蛋白的完整結構亦被解讀出(Michel and Deisenhorfer 1988; Sinning et a1.,1989)。由於三位科學家的傑出成就,使他們於1988年榮獲諾貝爾化學獎(Lewin,1988)。而後利用此技術亦解讀出高等植物的D1膜蛋白,由解析出的晶體結構可看出,Dl膜蛋白的第264個胺基酸正好位於此蛋白立體構造上的一個主要凹處(niche),此凹處亦是D1膜蛋白行電子傳遞鏈時與plastoquinone的主要連接處(Trebst,1986,1987;Kleier et a1.,1987)。經過推測,很可能是因為此凹處的Ser264變成Gly264後,在與atrazine的結合時會失去一氫鍵,使atrazine與D1膜蛋白結合時的競爭力不及於plastoquinone,導致atrazine無法與D1膜蛋白結合,以發揮其阻斷電子傳遞的功能;而plastoquinone卻依舊能與突變後的D1膜蛋白結合,並進行正常的電子傳遞鏈,使植株得以順利存活(Fuerst et a1., 1991)。至於Ser264改變成Ala264或Thr264時所造成的低度抗性,則可能是蛋白結構上僅發生些微的改變所造成的,至今還無定論。
三、存在於目標位置以外的可能抗性機制
有關植物對triazines類除草劑之抗性研究,從1980年以後日漸增多,最後亦證實其目標位置係類囊膜(thylakoid membrane)之D1膜蛋白。近年來更找出包括氨基酸取代(amino acid substitution )造成抗性之相關突變植株(mutant)(Semeda et a1.,1993; Sundby et a1,. 1993)。然而抗性機制尚包括從施藥後吸收、轉運及代謝過程中可能存在之抗性因素,即使同一物種或生物型(biotype)對於同屬於triazines類之atrazine與simazine亦具有不同之解毒機制。 Burnet et a1.(1993)以一年生黑麥草(ryegrass)為材料,發現對atrazine具有不同抗性之生物型對於simazine均具極大抗性。主要原因在於植物對simazine具有高度代謝能力,可減少體內殘留量,而不影響simazine之吸收、運轉及分布,更與結合位置無關。因此,似乎抗性機制之種類常隨物種、生物型而異,而在物種長期演化過程中這些機制是否保留?不同機制會不會同時存在於某一物種?不同物種之間、同一物種不同生物型之間、或自交系之間之抗性機制又是如何?均值得加以逐一證明。
此外,有關atrazine之解毒(detoxification)研究,在早期研究中,發現如玉米、高梁之所以抗atrazine殺草劑,主要是這些作物本身具有穀胱甘太轉移酵素(glutathione-s- transferase) 之同功酵素(isozymes),可以利用結合(conjugation)的方式很快地解毒(Mazur and Falco,1989)。最近,Alkhatib et a1.(1992)指出直接施用atrazine於菜豆(common bean)與紅根莧(redroot pigweed)葉片後,atrazine之吸收會隨溫度而增加,而其代謝、hydroxylation與glutathione conjugation亦隨溫度而增加,然而隨溫度增加之毒性乃係增加葉面吸收atrazine以及結合部位(binding site)對atrazine之親和性增加。雖然glutathione-s-transferase活性提高可使鵝絨草(Abutilon theophrasti)之生物型具抗性(Anderson and Gronwald,1991),但Schroder et a1.(1990)指出虎尾蹤屬植物中存在之glutathione s-transferase並不以atrazine為作用基質(substrate),故無法發揮glutathione conjugation之解毒機制。因此不同物種問之解毒機制(detoxification mechanism)可能尚有未知之代謝方式,值得進一步討論。
Atrazine抗性的產生除了藉由改變目標位置及代謝外,是否可能經由阻止atrazine吸收(uptake)或轉運(translocation)以減少植物體內藥量,或藉由胞器區隔作用(organell compartmentatin)方式將除草劑牽扯(sequestration),阻止atrazine進入目標位置? Hay (1976) 指出triazines被植物體根部吸收後,會經韌皮部再擴散入木質部,向植物各部位分布。此外,A1khatib et a1.(1992)指出直接施用atrazine於菜豆與紅根莧葉片後,atrazine殘留在施藥葉片上超過90%。因此,考慮一般post-emergence application時,即葉部吸收與根部吸收過程同時發生時,是否可能存在上述阻礙atrazine到達目標位置之因素,值得進一步探討。.,
四、Atrazine抗性雜草偵測的重要性及偵測方法
自從1970年首次發現atrazine的抗性雜草以來,抗性雜草的存在對於耕作之影響日益嚴重。例如在歐美地區,由於triazine系列除草劑使用量甚大,一旦發現疑似抗性的雜草存在時,該以改變用藥策略或者是耕作制度來防止經濟上的損失,便成為雜草防治工作上很重要的課題。一般而言,施行此種抗性雜草的防治工作時,第一個步驟就是抗藥性雜草的偵測與確認,因為在抗性雜草的判定上,常會因施藥方式或用藥量的不當,甚至是藥品本身品質不佳,可能會將一些普通雜草誤為抗藥性雜草,而作出錯誤的防治策略,因此若沒有一套準確而方便的偵測方法以正確找出抗性雜草的抗性特徵,將有礙正確選擇殺草劑,進而影響擬訂適當的防除策略。
一般而言,雜草抗藥性的偵測大致可分為生理上及遺傳上兩種方式。生理上的方式最早被採用,方法也最多,可以收集抗性雜草種子栽培作施藥測試,也可以利用葉片內葉綠素的螢光反應、葉圓片沈降法、光合作用速率測定、葉圓片內亞硝酸還原酵素活性測定或希爾反應(Hill reaction)之測定來作為判定,但上述方法常會受到試驗時的環境因子影響而失去其準確性,有些方法還須受限於某些材料方能適用,加上操作過程複雜和效率不高,所以生理測試方式不算是很實用的方法。
為改進生理測定法的缺點,有人便開始針對抗藥性植物遺傳特性的偵測上著手研究。當然,將區psbA基因作DNA定序,可以很輕易地經由DNA序列的比較而判別抗性發生的有無,比方法雖確實可靠,但操作過程複雄,費時費力亦不經濟。爾後又有人發現以mRNA序列之分析,可快速偵測出抗性的有無(Naber et a1.,1990),但由於RNA不如DNA穩定,操作較不易,所以其實用性仍不高。近來由於聚合酵素連鎖反應(polymerase chain reaction,簡稱PCR)的快速發展,利用經適當設計的PCR方法可快速而準確地偵測特定基因的突變點,以判斷抗性的有無,在雜草抗性的偵測上非常實用而方便,非常值得推廣(Chung et a1.,1993; Prosser, 1993)。除此之外,在目標位置以外的抗性偵測方法的開發似乎一直未受到注意,爾後是否應重新考慮這些與D1膜蛋白無關之抗性,在整體抗性上所扮演的角色,並針對其在雜草防治管理上所造成的問題,作出適當的因應措施,頗值得重視。
五、結語
Triazines系列除草劑屬於有機農藥的一種,在世界各地的旱田雜草防治上使用非常普及,加上土壤微生物可分解殘留的藥劑,故在使用上對環境的影響不大,比較不會有農藥殘留污染的問題,雖然有可能因抗性雜草的發生而影響其使用效果,但就整體而言還是非常實用的一種殺草劑,很值得推廣使用。由最初發現atrazine抗性植株後至今的二十多年裡,經過無數農藝學家、農化學家、遺傳學家、化學家及分子生物學家的合作,終於一步步解答出其抗性原因,並藉由這一系列的研究而發展出更簡便正確的抗性雜草偵測方式,以利應用於雜草的管理防治。近年來更由於高等植物葉綠體基因轉殖技術的進步(Maliga,1993),將來或許可以將雜草的抗性基因、或經由基因定點突變技術而獲得的強抗藥性基因,更有效率的轉殖至作物中,以育成抗殺草劑作物;而D1膜蛋白立體結構的解讀,亦有助於農化學家設計發明出更實用的殺草劑,以符合實際需要。未來該如何善加應用這些基礎的研究成果,以達到致用的目的,相信需要更多科學家的合作努力才行。
六、參考文獻 (略)
水懸乳劑(Suspoemulsion)
美國Zeneca公司 林康記
這是近幾年來在美國新開發出來的劑型,簡單的描述,它是一種乳劑(EC)與水懸劑間的混合劑型,因為要求的物化穩定性與水懸劑相同,所以它的技術層次也比較高。目前市面上有的商業產品多半是包括atrazine在內的除草劑,例如Surpass100 (acetochlor + atrazine + safener), Bicep (metalachlor + atrazine) 與Harn Plus(acetochlor + atrazine)。atrazine一向被廣泛地使用在玉米及大豆作物上,是很好的寬葉除草劑,而玉米及大豆是排名第一、二的農作物,儘管美國EPA一直要限用atrazine,但是它的使用量仍然很大,因為到目前為止,還沒有其他農藥可取代atrazine。
開發Suspoemulsion的難度很高,除了要把水性的SC與油性的EC混合外,還要維持相當高濃度的原體在劑型內,上述介紹的產品,它們的濃度都在百分之五十以上。通常把EC與Sc混合在一起,很容易地會把黏度增高,或有液相分層的問題。suspoemulsion技街上最大的考驗是如何使oil emulsion不會同solid suspension particles結合在一起,如果能成功地把這兩個完全不同性質的粒子分開且穩定共存則算成功了一大半。除此之外,因為這是以水作載體的劑型，所以須考慮抗凍的性質，尤其是用在玉米的pre-emergent時,通常施用期間在3~5月間,美國中西部的氣候仍然很冷,產品在秋天即已生產好，在12月、1月間即送到倉庫準備出貨,所以抗凍的性質很重要,一般使用g1yco1、鹽水等作為抗凍劑。還有在包裝方面,這類產品最小包裝是25加侖左右,一般是趨向大包裝(bulk package ) ,100到500加侖以上,在大包裝方面,產品需要經過幫浦抽取而不會引起黏度的昇高。
總之，Suspoemulsion的開發是須要多方面的考慮,技街上難度的層次是相當高的,這種新劑型的好處,則是免除農夫或使用者自己混合劑型之麻煩,不需要再分別量藥量,既方便又較不會導致錯誤。
南亞及東南亞稻田雜草種類 (書)
(Weeds reported in
rice in South and Southeast Asia)簡介
臺灣省農業試驗所農藝系 楊純明
「Weeds reported in rice in South and Southeast Asia 」係由國際稻米研究中心 (International Rice Research Institute)在1989年首次出版。本書記錄超過1800種在亞洲南部及東南部地區稻田發現的雜草,由Keith Moody博士彙整該地區各國所調查發表的文獻編撰而成。本書提供學者、專家、教師與學生們一份有用而方便的參考資料,得以簡明迅捷的查悉此一地區的雜草種類,俾利生態及雜草等相關學術領域的研究。
根據此書所載的雜草種類,顯示該地區內各種作物草相當中,仍以稻田最為複雜。同時也顯示該地區地理環境之多樣性,如栽培緯度從北緯45。至南緯35。,海拔高度從海平面至3000公尺,土壤質地從貧脊砂質土至肥泛沖積土,氣候從乾燥沙漠至高溫潮濕條件,年降水量分佈則從750至4000公厘。
本書作者指出,稻田雜草種類與其栽培方式有闕,各國皆有其獨特的草相組合,有共通性的雜草,也有少見的種類分佈。因此,內容編排除了該地區總表之外,並逐一陳列各國(共計15國)報導的雜草種類,以及綜合相同栽培方式(分為深水栽培、乾地栽培、濕地栽培、移植栽培、及早田栽培等五種)發現的雜草一覽表。
本書是依照英文字母次序和下列三種名稱做為編排的方式:(一)種名及屬名(Genus and species),(二)科名(Family),(三)國家別(Country)或栽培方式(Culture)。
為便利國內對雜草相關之研究,確有必要定期將臺灣地區發現之雜草彙編成冊,以為參考工具書籍。願農政及研究機關和有心人士共勉之。