第三卷第四期 (提要)
新除草劑之開發與應用
雜草對acetolactate synthase(ALS)抑制劑之抗性機制及遺傳
原野蔬菜一馬齒莧
氣孔及其水分調節機制
新除草劑之開發與應用
臺灣氯胺公司 黃朋舉
1980年中期,美國發展出二氮雜戊烯類(Imidazolinone)除草劑,掀起了農業及非農業地雜草防除的重要變革。此系列除草劑之發明,其實早於1970年,即利用逢選方式篩選出來,其中因發現Pthalmide具有相當強烈殺草能力。其後再進一步開發及數百種測試,發現以Pthalmide為基石的新型化合物Imidazolinone,在此同時美國也推出了另類硫醯尿素類除草劑。這兩類除草劑均屬於低劑量使用之化合物,具有很高之環境及人體安全性特質,兩類除草劑均是以盎司/飲用量計算,而傳統者大部分以磅/畝為單位方能有效進行雜草防除,對環境及人體安全而言,此發現為突破性之發展。
此類低劑量除草劑有效成分,主要以抑制植物體中,重要酵素系統而產生殺草作用,被抑制酵素系統稱為AHAS(Acetohydroxyacid synthase)系統,由於作物及雜草均需AHAS來產生植物生長要素三種主要胺基酸,包括重要之繃氯酸、白氯酸及異白氯酸。而此除草劑僅作用於某些草類AHAS'並且此酵素並不存在於哺乳類動物及鳥、魚或昆蟲,因此這些除草劑於優異除草作用之同時並不會危害人類及野生動物安全,這是此類除草劑之特色。
二氮雜戊烯類除草劑能有效防除廣泛雜草,並可被大眾接受此雜主要原因有四:
一、用量低,只需每公頃約70公克有效成分。由於它之低劑量使用使得美國地區近年農藥使用量相對降低。
二、有效成分使於部分植物及大部分雜草上時,若意外被人類或野生動物吸收後,此劑很快地被分解出來,不傷及人體或生物體。
三、此類除草齊!在保守性耕法(Conservation tillage)中,可阻止土壤流失,減少土壤堅硬性及降低農藥滲入地下水中的可能性。對使用效者很安全。
四、施藥時機甚具彈性,可以在植物萌芽使用,也可在開花前或開花後使用。
低劑量除草劑之價值已廣泛地被政府及科研機構所認可。目前二氮雜戊烯類及硫醯尿素類除草劑變成了新型除草劑開發上之新標竿,其藥效毒性對環境街擊性上的標準,已為農藥發展上的模範。目前已有利用生物科技,協助作物適應此類新型優異除草劑之趨勢。此項技術可使用原本對一些除草劑,毫無自然忍受性之作物,可以有效使用低劑量及對環境安全性之新型除草劑。這種策略如硫醯尿素類及二氮雜戊烯除草劑即為成功例證。Pioneer Hi-Bred國際種苗公司1992年上市一種對二氮雜戊烯除草劑具有忍受性之玉米雜交品種,即其一例。其它已育成的可使用上述除草劑之作物尚有油菜籽、小麥、棉花、甜菜等。因此未來低劑量除草劑開發,是一個充滿希望前景研究領域,對於減低農藥使用量及降低環境污染是一項大貢獻。由於新農藥開發困難,開發使用低劑量除草劑可能未來發展新方向之一。
雜草對acetolactate synthase(ALS)抑制劑之抗性機制及遺傳
國立中興大學農藝學系 王慶裕
多年來由於除草劑之大量使用造成環境污染及人體傷害,因此在各種除草劑中,以抑制氨基酸合成之除草劑對人體之傷害較輕,而有取代其它除草劑之可能。尤其抑制支鏈氨基酸valine,leucine,及isoleucine之合成,不致影響人體正常之代謝。目前已知sulfonylurea,imidazolinone及triazolopyrimidine除草劑能有效的抑制合成支鏈氨基酸之主要酵素acetolactate synthase(ALS;EC4.1.3.18),而此類除草劑在作物與雜草間的選擇作用乃是基於作物本身可將其代謝為不具活性的產物,不致於毒害作物之成長。
近年來在美加大草原地區至少出現4種雜萃,。包括Stellaria media, Kochia scuparia(L.) Schria , Salsola iberica Sennen & Pau及Lactuca serriola L. 均發現有抗chlorsulfuron之生物型(biotype)。此抗性生物型之所以快速出現,可歸因於雜草族群中有高頻度之抗性個體、相同除草劑之連續使用及土壤中殘留的chlorsulfuron所致。這些雜草生物型之抗性機制不同於耐性作物體內之抗性機制，S. Media,K.Scoparia及L serriola等雜草之抗chlorsulfuron則是基於減低ALS對除草劑的敏感度。除草劑欲有效的利用於作物栽培管理上,必需要有選擇性使其能除雜草而不傷害作物,但由於長期使用下造成抗性雜草之出現也影響除草劑之有效利用,本文乃針對雜草本身之抗性機制予以說明
二、雜草對於ALS抑制劑之抗性機制
(一)ALS酵素對除草劑之敏感度
有關雜草不同生物型之間對於除草劑之抗性機制研究,Devine et al (1991)曾分別從繁縷(Stellaria media L)對於chlorsulfuron具感性(susceptible)與抗性(resistent;R1,R2)之生物型中抽取ALS酵素,再測驗此酵素對8種ALS抑制劑之反應。結果顯示來自抗性生物型(R1,R2)之ALS對於chlorsulfuron及其它sulfonylurea除草劑之敏感度較低。由交感抗性(cross-resistance)型式之變化顯示ALS之改變雖使其抗chlorsulfuron,但對其它sulfonylurea類除草劑並不具相同程度之抗性,此種抗性生物型對於sulfometlIronmethyl及DPX-A7881共高度的交感抗性,但對triasulfuron之交感抗性較低。 Devine et al(1991)推測此種差異可能是ALS發生改變,使得其與除草劑之結合親和性(binding affinity)有所不同。
在過去十年問世界各地廣泛的使用ALS抑制劑除草劑,尤其應用於各種作物中選擇性的控制雜草,例如使用chlorsulfuron於禾穀類作物,在小麥(Triticum aestivum L.)中之耐性(tolerant)乃是作物較雜草能快速地將此除草劑代謝為無毒性的產物(Sweeter et l,1982)。然而持續使用的結果導至雜草出現具抗性之生物型,首先出現於Lactua serriola L.。其後也分別在美加許多地方證實俄羅斯薊(Salsola iberica),Stellaria media及多年生毒麥草(Lolium perenne)也具有chlorsulfuron抗性(Christopher et al.,1992)。迄今為止,在北美洲及澳洲也出現一些雜草(大部分是雙子葉植物)抗ALS抑制劑除草劑。大部分調查案例中抗性的生化機制乃在於對除草劑具有抗性的ALS酵素。然而在Lolium rigidum Gaud.之許多抗性生物型中,雖然同樣具有敏感之ALS但其能很快的將除草劑代謝為不具活性之結合物(conjugates),此情況與小麥抗性品種類似o
在美加地區通常用chlorsulfuron有效地控制禾本科作物田間的主要闊葉性雜草Kochia scoparia L Schrad.。在經過幾個生長季節的單一使用chlosulfuron或混用chlorsulfuron/ metsulfurom methyl的結果,導致選拔出抗sulfonylurea之雜草生物型。 Saari et al, (1990) 研究發現自抗sulfonylurea之Kochia分離出的ALS,對於三種ALS抑制劑包括sulfonylureas,imidazolinones及sulfonanilides之敏感度較低,而感性與抗性生物型二者在ALS比活性(ALS-specific activity),或是[碳14 clchlorsulfuron吸收、轉運與代謝上並無差別。此外也證實感性與抗性生物型之ALS以pyrurate測定Km值時,分別為2.13及1.74mM。根據上述結果Saari et al.認為存在於Kochia生物型中的sulfonylurea抗性機制,主要是由於其中的ALS酵素對於sulfonylurea較不敏感所致。
(二)除草劑的代謝
存在於雜草不同的生物型中的sulfonylurea抗性機制是否必然由ALS之敏感度所控制?在澳洲發現具交感抗性之毒麥生物型SLR31並非由於其ALS耐除草劑所致(cf Christopher et al,1992)。一些sulfonylurea除草劑的選擇性乃是基於物種在代謝除草劑及將除草劑解毒(detoxify)上有不同的能力。生物型SLR31中的抗性機制類似小麥,二者均能抗選擇性硫醯尿素除草劑chlorsulfuron triasulfuron及metsulfuron-methyl，且小麥能快速的代謝掉這些除草劑。但SLR31與小麥均對非選擇性除草sulfometuron-methyl相當敏感,且不能代謝之。二物種均具有對sulfonylurea除草劑敏感之ALS,小麥中的選擇性抗性乃基於能將一些除草劑快速的代謝,而在雜草生物型中也證實其代謝作用增強以致具有抗性o
由於毒麥草的生物型SLR31乃是經由didofop-methyl選拔出的交感抗性而能抗sulfon- ylurea，其抗性機制是否與單純經sulfonylurea選拔出之抗性機制相同?Christopher et al.(1992)以sulfonylurea除草劑-chlorsulfuron連續處理七年,選拔出毒麥草抗sulfon- ylurea 及imidazolinone之生物型WLR1。此種生物型不同於SLR31,其不但於能抗選擇性除草劑且能抗非選擇性之sulphony1urea類除草劑。進一步發現抑制WLR1生物型50%之ALS活性所需之除草劑濃度很高,而另一抗性生物型SLR31則與感性生物型之ALS活性表現相似。此外抗性生物型較感性生物型能快速代謝chlorsulfuron,SLR3l,WLR1及VLRI三種生物型之二葉期幼苗代謝50%之[phenyl-U-14C]chlorsulfuron,分別需要3.7、5.1及7.1小時。推
測毒麥草之抗性生物型抗ALS抑制劑之機制至少包括二種機制,即增加除草劑的代謝、或且增加除草劑不敏感的ALS酵素。
三、雜草對於ALS抑制劑抗性之遺傳
迄目前為止,發展於田間雜草抗性族群中sulfonylurea抗性機制之有關研究報告仍屬有限。Boutsalis and Powles(1995)綜合其它研究報告指出,抗ALS抑制劑之L. serriola及Kochia scoparia(L.)Schrad生物型中對於ALS抑制劑之抗性是由單一核內完全或不完全顯性基因所控制,其它研究報告中亦有類似的結果。Boutsalis and Powles(1995)以苦菜(Sonchus obraceus L.)為材料,在田間使用chlorsulfuron經連續八年選拔出抗ALS抑制劑之生物型。氏等發現在抗感生物型之間ALS活性之Km及Vmax值並未有很大的改變。從抗性生物型中萃取出的ALS在體外(in vitro)檢定中,可較來自感性生物型者抗5種ALS抑制劑,包括chlorsulfuron, sulfometurnon,imazethapyr,imaza pyr及flumetsulam.氏等從抗感生物型之雜交後代檢定中發現抗性遺傳係由單一核內不完全顯性基因所控制此基因負責編碼目標酵素ALS。
四、結語
綜觀植物在不同除草劑之長期施用下,或許本身即有潛在之抗性機制,因施用藥劑而受到誘導產生抗性生物型。植物對除草劑之抗性機制,不外包括使除草劑之吸收、轉運及作用受到抑制,以及經由代謝方式解毒或改變目標酵素(target enzyme)之結合。而在雜草中對於sulfonylureas除草劑之抗性,有些走來自其他種類除草劑產生之交感抗性,有些則是因sulfonylureas長期施用下經突變產生之抗性。迄今為止發生於雜草不同生物型之間的抗性,經證實的有促進代謝及降低ALS酵素之敏感度二種方式,且初步了解其抗性遺傳係由單一核內完全或不完全顯性基因所控制。在考慮如何有效的維持除草劑使用年限,及維持其除草而不傷害作物,必須對雜草之抗性行為有所了解,或許也可考慮抗性基因之誘導、保存及轉殖,以配合田間雜草之防除工作。
五、參考文獻 (略)
原野蔬菜一馬齒莧
臺灣省農業試驗所農藝系 李裕娟
馬齒莧(Portulaca oleracea L.)屬於馬齒莧科,馬齒莧屬。一年或二年生草本,葉互生或對生,長橢圓狀倒卵形或匙形,葉形像馬齒故以此命名,莖分枝多、呈直立或傾臥,植枝光滑無毛(葉肢具絨毛),枝幹多呈淡紅色,別稱豬母乳、馬克、五方菜、長命菜、馬齒龍芽草、瓜子菜、馬子菜、豬母草,自生全省原野。花朵頂生,花萼2枚,花瓣2枚,雄蕊7~12,花柱3~5裂,果實為蘋果,成熟時頂端蓋裂,種子散落而出。
舉凡庭園、路旁及荒地都可能有它的蹤跡,馬齒莧莖葉折斷後有白色不透明的乳汁,其品種很多,花朵呈白、黃、紅等顏色,開花時間很短,大約在早晨七~十時左右。若將不同花色之品種種植一處,待其盛閑時色彩繽紛,可做為觀賞用的花草,目前正流行用盆栽來種植。民國40~50年代的鄉間,養豬人家為了降低成本,使種植馬齒莧做為豬的飼料,故俗稱「豬母草」或「豬母乳」。由於馬齒克的品種很多,又具不同花色,並非每一品種皆適合食用,其中以開白花品種之幼嫩枝葉食味較清脆、爽口,現已成為野菜餐廳中的一道美食。
馬齒莧除了可供食用外,亦具有療效。據本草綱目記載,馬齒莧味酸性寒,清熱解毒,散血殺蟲,消腫利尿。若將全草搗汁服用,可治喉嚨痛,其渣敷患部治毒蛇咬傷亦有效。在營養成分上,全草含配糖體、皂素、樹脂、維生素A、B及C等。
栽培方式通常以種子實生法來繁殖馬齒莧,而仟插法亦可o播種法可用床播或箱播,然而由於種子非常細小,若與粗砂粒混合後灑播較易均勻,同時要使植床常保持濕潤,種子方可順利發芽。仟插法宜在初夏進行,還取壯碩的枝條插入土中,亦能大量繁殖。除做為家庭陽臺上觀賞用之花草外,選擇白花馬齒荒之未開花嫩莖,摘心芽葉鞘約10~20公分長,清炒或加肉絲食用,除做為一般蔬菜食用外,並具有療效,可謂一舉數得。
氣孔及其水分調節機制
臺灣省農業試驗所農藝系 楊純明
在植體(包括雜草)內的水分運動(water movement)主要有兩種型式,一種是經由蒸散作用(transpiration)的傳導而使水分逸失於大氣,另一種是生長過程(如細胞的擴大、生理代謝、物質轉置等)所需而保留與傳導於體內者。水分在植體內運動而散失以前項型式為大部份,由氣孔(stomata)及皮孔(或稱表皮,cuticle)所控制;生長過程的水分消耗比例甚低,其速率則同時受到改變水分運動與膨壓(turgor)的物理因子及決定細胞壁與溶質累積(solute accumulation)的代謝因子所影響。
氣孔行為是由構成氣孔的保衛細胞(guard cell)彎曲造成,當保衛細胞內的膨壓升高至大於週邊細胞(surrounding cel1s)時,便形成彎曲現象而打開氣孔。膨壓的增加是藉由溶質的累積,主要是針離子(K+)及相伴隨的氣離子(C1)與蘋果酸鹽(malate),其次為少量的有機陰離子。KCl來源係經非原生質(apoplast)管道,蘋果酸鹽及其他陰離子則由保衛細胞內的澱粉粒釋出。保衛細胞蓄積針離子的能力似由離層酸(ABA,abscisic acid)及其代謝物控制,離層酸被認為由位於葉綠體之thylaIeoid membranes的胡蘿蔔體色素(carotenoid pigments)轉製。在低水分潛勢(water potentia1)的葉片累積大量的離層酸,促使針離子濃度降低而減少膨壓,於是導致氣孔關閉。有些缺乏合成離層酸能力的突變植物極易因缺水萎凋,原因即在於氣孔無法關閉致過度蒸散引起。
當作物葉片水分潛勢下降至關閉氣孔時,保衛細胞蓄積針離子及陰離子的能力也已喪失。在缺水恢復的起初,雖然葉片膨壓已先行復原,氣孔仍無法即時間啟直至針離子及陰離子的蓄積能力回復為止。倘若水分潛勢變化過於迅速(低於五分鐘內),將會因膨壓的差異引起額外的加成效應,延緩氣孔的啟閉功能。
在正常情況下,氣孔出現週期啟閉現象,如每日週期變化(diurnalvariation)及季節性週期變化(seasonal fluctuation)。在冷敏感(chill sensitive)的植物(如棉花、番茄等),此一氣孔週期性啟閉的現象尤為明顯。對耐冷性(chill tolerant)植物而言,卻相對的不顯著。根據控制氣孔啟閉迴饋機制的試驗研究結果,植體水分導引系統的水分輸導阻力(resistance to water flow)是決定氣孔能否達到穩定開啟的重要因子。基本上,以維管束系統作為水分傳導的植物,水分輸導阻力決定了週期性啟閉的是否顯著。因此,對如棉花等冷敏感的植物,若予根系冷卻處理增加水分輸導阻力,將可能改變氣孔週期啟閉現象。
在擴大中的植物組織(enlarging tissues),由於水分潛勢梯度(water potential gradient)的存在,生長所需水分及水分的輸導是十分複雜而難以測定的。此一水分潛勢梯度介於導管(xylem)至擴大的組織之間,受到由維管束系統流往細胞的水分運動影響。此外,膨壓也影響水分的輸導及細胞的擴大,適度的膨壓一方面足以提供細胞壁擴張所需的張力,另方面又必需低到能夠維繫水分潛勢梯度以導引水分抵達生長部位(即擴大的組織中)。顯然的,生長中的植物勢必解決這麼一個兩難的問題,以持續植體的擴增。由此可知,細胞擴大過程對導管水分潛勢及細胞膨壓的變化相當敏銳,因為水分潛勢梯度的破壞將阻絕組織的水分需求,膨壓的不足將阻滯細胞壁的擴張。
經由上述的說明,不難暸解氣孔在植體水分調節所扮演的角色與維持水分平衡上的重要性。為了植物生長的需要,吾人不僅應該熟知氣孔行為及其機制,更應該能夠適當的應用在作物栽培上。