第四卷第三期 (提要)
雜草下凡間
提供顏色及營養之植物色素
參加『亞洲熱帶地區雜草管理訓練班』摘要報導
嘉磷塞在植物體中之抗性
雜草下凡間
中華民國雜草學會秘書長 翁素慎
這個標題好像把雜草當仙女,雜草不早就無所不在春風吹又生了嗎?但我總覺得在一般人眼裡雜草真是像霧又像花。記得以雜草學會秘書長身分參加內政部舉辦的社團幹部訓練時,坐在左邊來自音樂社團的小姐問我什麼是雜草?右邊的珊瑚保護博士接口說他也正想問呢。我實在記不得王理事長在理監事會上所作的定義,很直接的回答「雜草就是沒有用的草」。接下來的問題當然是那雜草學會又是做什麼的呢?我當然不會回答「是做沒有用的事」，我的回答是「把沒有用的草變成有用的草」---多麼偉大的任務!所以也許雜草不是仙女,我倒希望雜草學會的會員都是手持仙女棒的人,點石成金!那位新科中研院院士在雜草學會年會隨口唱了一段台語歌不也讓管芒花有了春天嗎?
雜草也許太普遍了,讓大家感覺不到它的存在。在臺灣的學術界雜草研究是兼業的,在社會上雜草也不叫雜草:可以吃的叫野菜,可以看的叫野花,無法歸類的叫野草。我們是不是應該用點心思把他們正正式式的,有名有姓的介紹出去?雜草滿山遍野的長,總會礙到人,農牧地經營者視雜草為眼中釘,使用趕盡殺絕的除草劑只是使大地更貧脊,雜草管理應取代雜草防除。
雜草學會成立將屆滿廿年,我們也想把雜草在學會的成年禮上介紹給社會。王理事長一雄說雜草多美麗,周院士昌弘說雜草多堅強,如此完美的東西那能再埋沒?雜草要下凡,學會的人得先走入人群。學會開始規畫發行雜草月曆，也成立委員會為雜草提供更大的空間。草類生態滿足雜草生老病死的需求,植生管理增加雜草為民服務的能力,藥劑防治讓雜草去蕪存菁，國際合作使本土雜草走向大舞台。這些活動都是為了讓雜草和人們更親近,認識它,接受它,你會更愛它。Trust me, you can make。
提供顏色及營養之植物色素 (Plant Pigments for Color and
Nutrition)
楊純明 譯
在大自然界裡,植物色素扮演視覺吸引力及新陳代謝激動者雙重角色。對人類而言,植物色素不單誘引人們的注意力,更提供了營養來源。天然的種物色素種類主要有(1)胡蘿蔔素類(carotenoids),(2)葉黃素類(flavonoids),(3)類葉黃素類(即花青素類,anthocyanins),(4)甜菜素類(betalains),及(5)葉綠素類(chlorophylls)等五種。
葉綠素類因色素呈綠色得名,葉黃素類則呈黃色、橘色或紅色,皆為植物行光合作用的主導色素,位於綠色植物色素體(plastids)中。葉綠素為光捕捉色素(light harvesting pigments)及光接受者(photoreceptors),其功用在抓取太陽能(光能)以轉化成化學能。葉黃素為光附屬(輔助)色素(accessory pigments),在於保護葉綠素免於光氧化崩解(photo- oxid ation),延續光合作用的進行。葉綠素及葉黃素同時出現於綠色組織中,後者又出現於花朵、儲存器官、及其他植株部位。
葉黃素類通常位於細胞質及色素粒中,常見的葉黃素類有呈紅色或藍色的花音素類及呈白色或淡黃色的化合物(如芸香咁rutin,櫟皮黃素quercetiI1)。花朵或果實中的葉黃素吸引媒介昆蟲傳遞花粉或傳播種子,甜菜素類色素亦可色引動物來達到此一目的。甜菜素類僅散見於10科的撞物,尤以中心子目(Centrospennae)8科為主,係分類學土特殊例子(索引範例)。甜菜素類通常不與花青素類共同存在,主要有紅紫色的紫甜菜素(betacyanin)及黃色的黃甜菜素(betaxanthin)。
植物色素幫助人們及草食性動物分辨植物種類、區別植株部位、及判斷生育期。二十世紀初期,人們逐漸發覺到極物色素與營養、健康有關。在1919年,試驗顯示黃色的玉米、胡蘿蔔、及甘誇可以減輕實驗鼠的維生素A缺乏症,白色的玉米、馬鈴薯、歐洲防風、及甜菜則無比功效。維生素A缺乏症是現今一普遍存在的飲食性缺乏病症,每年造成全世界百萬以上兒童罹患眼球乾燥症、自民育,甚至導致死亡。其副作用為降低免疫系統的功能,因此也增加了致命感染的機會。截至今日,已有多達40種的胡蘿蔔素被確認為維生素A前驅物,這些前驅物被動物食後將可被體內酵素分解為維生素A。目前蔬菜類已提供全世界超過80%的維生素A來源,對人們健康幫助甚大。今後如何增加新的、更高的維生素A前驅物之胡蘿蔔素園藝作物,改善其生產與收穫後保鮮,並推廣消費者的接受度,將是吾人一件重要而十分有意義的工作。
自1970年代以來,科學研究發現具有胡蘿蔔素、花青素或其他葉黃素類的食用作物彷彿',化學預防者(chemopreventers)",提供預防某些癌症及降低心臟血管病等的保獲。有趣的是某些非維生素A前驅物的胡蘿蔔素如番茄紅素(lycopene),亦擁有',化學預防者"效能。凡具有此一效能的化合物都有抗氧化特徵'巧的是作為附屬色素的胡蘿蔔素即在保護植物光合作用機制兔於氧化崩解,而這抗氧化性質可同時保護人們免遭受致癌因子(carcinogens)及心臟病變。植物色素僅為存在於蔬菜及水果中具有化學預防者效能組成份之一,其他如維生素C、維生素E、及若干齡酸類與有機硫化物亦具有相同醫療效果。雖然在觀察抗氧化劑療效的醫學試驗上,有些抗氧化劑格於飲食之中呈現正面的效果F有些則完全無效。對於食物中含有的各種天然化學成份藥效,由於種類繁多、測試耗時,短期內無法逐一暸解。但是,直接從水果與蔬菜中攝取天然植物色素並無不利之處,而且價格低廉、取得容易,值得鼓勵大量食用。
長期以來園藝學家對植物色素的研究探討多偏重於蔬菜、水果、及花卉的外觀顏色,期以提高產品價格。近年來植物色素的營養價值亦受到關切,許多研究朝著營養分析及提昇維生素含量發展。相橘類及紅色蔬菜(如紅蘿蔔、甘譜、番茄)被發現為維生素A的主要來源,並以基因工程技術增加胡蘿蔔素含量。傳統土低胡蘿蔔素的蔬菜(如花椰菜、黃瓜),亦曾被加以基因改良提高胡蘿蔔素含量。針對植物色素',化學預防者"醫療效果之研究也如火如茶的展闕,花青素類及甜菜素類的基因改良及健康療效被廣泛討論。
凡此種種,突顯了植物色素的實用與食用價值,也間接引導出雜草利用的開發需求。大自然界未被開發利用的植物都是雜草,因此雜草包容的基因庫非常的豐富,從花花綠綠繽紛色彩的雜草世界,可以想見植物色素之多樣化、組合色彩種類之龐大。如此無窮偉大的藏寶庫,雜草人, 您不心動嗎?
參加『亞洲熱帶地區雜草管理訓練班』摘要報導
臺灣省農業藥物毒物試驗所 徐玲明
亞洲熱帶地區雜草管理訓練課程』(The Asian tropical weed management training course)緣由第15屆亞太雜草學會主辦單位發起並決議舉辦,同時由亞太糧食肥料技術中心及泰國雜草學會提供經費補助,泰國卡協沙農業大學(Kasetart University)提供場地,於1997年5月19日至6月7日在該大學Kampheang Sean校區農學院舉行訓練課程,此次活動之負責人為泰國雜草學會秘書長暨卡協沙大學副教授Dr.Sombat Chinawong。感謝第八屆中華民國雜草學會古理事長德業與王秘書長順成之推薦,農委會及臺灣省農業藥物毒物試驗所給予參加之機會,我與台南改良場雲林分場的陳博惠先生才能有此泰國之行。在此訓練課程中除了學習雜草管理之基本知識,將來可運用於農業的實際應用上之外,亦認識了其他國家不同領域的研究人員,期望以後更進一步之交流。
來自各國學員之人數
國家 人數 國家 人數 國家 人數
臺灣 2 中國大陸 1 韓國 1
菲律賓 2 寮國 2 越南 1
馬來西亞 1 印度尼西亞 1 緬甸 1
泰國 5 合計: 10國17人
參加之學員之工作領域:
工作領域 人數 工作領域 人數
雜草或除草劑研究 1 植物保護 2
農藥 1 農業栽培、試驗、推廣 8
林業試驗 2 農業專科學校老師 3
農業大學(Kasetart University)
為泰國第一所提供農業學位的大學,亦是泰國第一農業高等學府,主校區位於曼谷北部的Bangkhen,為因應日漸增多的學生人數,於1980年在曼谷西方80公里之Nakhon Pathom省內,設立了第二校區(Kamphaengsaen Campus)。分校校區總面積1250公頃,農學院包括農機、昆蟲、土壤、農藝、園藝、植病、動物、農業推廣及農業工程(灌溉工程)等系,另有農業教育、獸醫及藝術學院。每年6~10月為第一學期,ll月為第二學期,4~5月屬於泰國的過年假期(潑水節),而我們就在學校的假期間於Kamphaengsaen Campus的農學院大樓接受了為期三週的訓練課程。
食衣住行
上課期間安排我們住在The National Swine Research and Training Center(NSRTC),此地設有餐廳、交誼廳及運動場,並培育種植了許多不同品種的棕櫚科植物,風景優美。三餐皆吃泰國食物,為了配合印度尼西亞及馬來西亞的學員,大多以雞肉與魚為主食,但不像泰國人吃得那麼辣。每天上課的交通工具是腳踏車,每人一輛全新的腳踏車,不但是代步工具,也是逛校園的最佳工具。
課程內容
所有安排的課程皆很緊湊,雜草方面包括了雜草的定義及基本介紹,標本製作,雜草的生理生態,雜草種子的休眠,雜草的競爭及剋他物質的應用等。藥劑方面包含了除草劑之分類、特性、製劑及其施用的器具配備及藥量的計算方法,除草劑的安全使用、殘留量分析、生物檢定、法律規範、放射線元素標定方法、試驗設計與資料分料等。防治方法則包含了雜草管理的觀念,生物防治,永續經營,抗藥性雜草的產生、預防及應用,利用生物技術轉移抗藥性基因等。另外則有針對問題雜草、水生雜草、水稻田、果樹、蔬菜、經濟作物栽培田之雜草防治方法,做個別詳細講解。實習課程安排了除草劑的選擇性、吸收與傳導、淋洗作用及生物檢定等。整體而言,除草劑的課程佔了50%之比例,雜草佔30%,實習佔lO%，其他部份(考試、參觀、報告)佔lO%。
參觀行程
1. 皇宮:(1)Phimai-為一歷史公園,是當地最具帝王代表的建物之一,其主要神殿包括由不同顏色砂岩建造的城樓及內外二層牆組成,相當古色古香。(2)Grand palace一金碧輝煌,雕樑畫棟的豪華氣勢,有中西合壁的感覺,在皇宮建築物間,則散佈著一棵棵頗具造形的榕樹。(3)Vimamnek (The world's largest golden teakwood mansion)一威曼默王宮博物院為全世界最大且華麗的全柚木宮殿,建於一百年前,開放了三十多個房間,將皇室生活展現於世,但此處禁止拍照。
2.研究機關:(1)Central Laboratory and Greenhouse Complex (Kamphaengsaen Campus)-佔地約50公頃,由12個單位組成,研究內容包含生物檢定、炭疽病之生物防治、農產品採收後處理、利用GCMS(氣體層析質譜儀)黃麴毒素及生物毒質、石斜蘭及葉材之切花保鮮、以組織培養進行微體大量繁殖木瓜、甘蕉、波羅蜜、鳳梨及馬鈴薯。(2)National Corn and Sorghum Research Center(也稱做Suwan farm或Suwan Wajokkasikit Research Station),National weed Science Research Institute--位於曼谷西北方的5公里的Nakhon Ratchasima省內,有481公頃曲。面積,平均氣溫最低14℃,最高3℃,土壤型態為紅色粘土。主要工作內容栽培技街的研究發展,將生產技術及方法轉移至民間,玉米高梁及其作物之種子生產。
泰國的主要雜草種類
(1)水稻有陸稻、直播稻、深水水稻及移植稻,不同之栽植方式有不同之雜草問題,雜草發生最嚴重的是陸稻,其次為直播稻、深水稻,雜草問題最少的是移植稻,最具代表的雜草有稗草(Echinochloa crus-gallj)、芒稜(Echinochloa colona)、千金子(Leptochloa chinebsis)、碎米莎草(Cyperus difformis)、Cyperus pulcherrimus、香附子(Cyperus rotundus)、鴨舌草(Monochoria vaginalis)、尖辮花(Sphenoclea zeylanica)、Ipomoea qguatica、Mimosa invisa. 泰國因耕作地面積大、早季長,為了省工將朝向直播稻或陸稻栽培方式,其雜草防治的方法,選擇的藥劑有所差異。若台灣將來需種植直播稻,田間雜草相的變化及可使用的除草劑,則需再重新評估測試。
(2)其他作物如果樹(芒果、榴槌、山竺、鳳梨、香蕉等),蔬菜(洋蔥、番茄、辣椒、大蒜、甘藍),油棕'橡膠等,其主要雜草為巴拉草(Brachiaria mutica),龍瓜茅(Dactyloctenium aegyptium),芒稜(Echinochloa colona),牛筋草(Eleusine indica),白茅(Imperata cylindrica),千金子(Leptochlor chinensis),鋪地黍(Panicum repens),羽絨狼尾草(Pennisetum polystachyon),羅氏草(Rottboellia exaltata),莠狗尾草(Setaria genicultata),碎米莎草(Cyperus iria),香附子(Cyperus rotundus)'滿天星(Alternanthera sessilis ),野莧(Amaranthus viridis),小破得力(Borreria leavia),闊葉破得力(Borreria latifolia),竹葉菜(Commelina benghalensis),黃野百合(Crotaloria striata),白苞猩猩草(Euphorbia geniculata),假千日紅(Gomphrena celosioides)'美洲含羞草(Mimosa invisa),假海馬齒(Trianthema portulacastrum),其中最難防治或對嘉磷塞已有耐藥性之雜草為:香附子、白苞猩猩草、小破得力、闊葉破得力、美洲含羞草、羅氏草、圓葉竹仔葉、羽絨狼尾草等。一般而言,泰國高溫、乾燥,所以禾本草草、香附子及豆科草相當嚴重,而台灣多濕的環境下,禾草(如羅氏草,羽絨尾草)與豆科草(如黃野百合,美洲含羞草)不似泰國普遍。
心得與建議
這次的訓練課程中,我有機會認識來自不同國家的朋友,乃屬一大收穫'唯一美中不足的是,其他國家的學員皆不是屬於雜草科學研究領域範圍內,所以彼此交談中鮮能得知不同地區雜草或除草劑相關之資訊。此為亞太地區第一次舉辦雜草管理的訓練,整體課程的安排令多數學員滿意,學員之間或與主辦單位、工作人員相處亦非常融洽。因為英語對大部份學員皆非其母語,所以在聽講及討論上,難免力不從心,甚至無法意會,而大部份的講課中,基本的定義及原則重覆部份多,所以若實地參觀或實習的課程比例提高,可使我們更暸解泰國的耕作制度、氣候條件;泰國幅員廣大,又分為四大區,全年有早季與雨季之分,耕作大多集中於雨季,這與雜草相及除草劑的選擇、施用有很大的相闕,可惜本次訓練課程未能安排較多的參觀行程;三週的時間皆在泰國南部,無法前往泰北實地體會當地風土民情,亦感遺憾。
嘉磷塞在植物體中之抗性
國立中興大學農藝學系 王慶裕
一、前言
嘉磷塞(glyphosate)是一種非選擇性(non-selective)除草劑,雖然可以有效地防除大部分雜草,但也容易傷害或殺死栽培作物。因此,若能發展出抗嘉磷塞之作物,必然可以提高此類除草劑之利用效率。Schmidt and Pannell(1996)曾敘述在西澳洲之雜草會對傳統使用的除草劑產生抗藥性,尤其是ryegrass(Lolium rigidum),為了解決抗性雜草產生之問題,乃使用非選擇性除草劑嘉磷塞。因為嘉磷塞使用於輪作羽扇豆(lupins)之田間除草時,此植物也會受到傷害,故利用遺傳工程技術使羽扇豆具有抗性基因。氏等評估指出發展抗性羽扇豆且配合其他物理方式防除雜草,將可提高33%收益。此外嘉磷塞抗性應用於大豆作物上已有成功之案例(參考劉和玉,1997),而在其他作物如菸草、棉花、胡蘿蔔中,亦有抗性品系出現,本文乃針對可能存在之抗性機制及案例作一說明。
二、抗性植物產生之原因與實例
1.EPSPS基因之增幅
由於嘉磷塞之作用位置(target site)是針對位於葉綠體或質體上之EPSPS合成酵素(5-enolpyruvyl- shikimate 3-phosphate synthase;EC.2.5.1.19;EPSPS)。因此,若能維持此一酵素功能,必然可以增加植體對於嘉磷塞之抗性,而其中之一種方法即是將控制EPSPS合成之基因增幅(amplification),使植體能產生更多的EPSPS酵素蛋白以對抗嘉磷塞。Jones et al.(1996)分別針對具嘉磷塞抗性之菸草細胞及再生小株(plantlets)調查其EPSPS增幅基因之表現及穩定性,結果發現抗性細胞生長在不合嘉磷塞之培養基中,其增幅之DNA可以保持三年,而在再生小株中之表現與抗性細胞亦類似,且EPSPS mRNA也過度表現(overexpressed)。然而,若是與維持在嘉磷塞選拔壓力下之抗性細胞比較,生長在不含嘉磷塞培養基中之細胞系(cell lines)抗性減少七倍,再生小株之抗性則減少近乎20倍。後者抗性降低原因與EPSPS mRNA含量降低有關。
Shyr et al.(1992)曾以胡蘿蔔細胞懸浮培養,利用嘉磷塞進行耐藥性之逐步選拔(stepwise selection),結果發現隨著每次的選拔,EPSPS酵素活性、mRNA及結構基因複製數目(copy number)均隨之增加,因此氏等認為嘉磷塞之耐性乃是由於EPSPS基因逐步增幅所致。此外氏等並指出根據增幅現象之穩定性,此增幅基因並非染色體外之基因。
有關EPSPS增幅基因DNA構造,Suh et al.(1993)曾針對具嘉磷塞抗性之胡蘿蔔懸浮培養細胞系研究,發現來自具高度抗性細胞系之增幅DNA片段大小不同於其親本系,進一步分析顯示出二種不同之DNA構造。其中的kb大小之克隆(clone)僅含一份EPSPS基因複製(copy),而另一16kb大小的克隆則含基因之反轉複製(inverted duplication)。以胡蘿蔔DNA探針進行南方墨點法(southern blot)分析顯示,在除草劑選拔過程中未反轉之重複DNA構造(uninverted repeated DNA structure)存在於所有的細胞系中,而反轉重複(inverted repeat;IR)僅存在於高度增幅之DNA中。在高度增幅之細胞系T35G中,上述二種構造乃等量存在,此細胞系之EPSPS基因增幅達25倍。氏等針對克隆作圖譜顯示胡蘿蔔增幅之EPSPS基因本身大小約在3.5kb。
雖然有較多的報告陸續釐清嘉磷塞逐漸增幅EPSPS基因之表現,但在早期Hollander-Czytko et al.(1988)也提出不同的結論,氏等以Corydalis semperpvirens細胞培養於5mM嘉磷塞,可使耐性細胞內EPSPS酵素量增加30-40倍,而其translatable mRNA活性及transcript含量則增加8.12倍。氏等並發現在抗性與感性細胞中萃取DNA'其中EPSPS特定之DNA序列在相對量上並無明顯差異,故氏等認為耐性細胞中EPSPS之過度生產(overproduction)並非基因增幅所致。因此造成EPSPS過度生產之原因仍有待更多的研究確認。
2.EPSPS酵素之不敏感
植物對於嘉磷塞之抗性除了增加EPSPS產生外,其抗性機制也包括EPSPS酵素之不敏感性。Reinbothe et aI.(1991)發現綠蟲藻(Euglena gracilis)能適應於逐漸增加嘉磷塞濃度之培養基中,其耐藥性之原因除了目標酵素EPSPS(59KD蛋白質)過度生產而累積40倍外,另一原因可能與該酵素對嘉磷塞較不敏感有關。此酵素在試管中(in vitro)以2mM嘉磷塞處理,活性不會受到抑制。
3.Hygromycin B phosphotransferase之酵素作用
Penaloza et aI.(1995)指出大腸桿菌(E-Coli)細胞及菸草植株經轉殖hygromycin B phosphotransferase基因後,可以生長在含2.OmM嘉磷塞之培養基中。具有hygromycin B抗性之植株,其對於嘉磷塞反應之ID50為1.70堆.03mM'對照系且則為0.45堆.02mM。氏等指出hygromycin B phosphotransferase可識別嘉磷塞而將其視為反應基質。因此藉由此不同酵素之表現亦可獲致嘉磷塞抗性。
4.嘉磷塞之轉運
嘉磷塞除草劑在挂體吸收後必須到達目標位置才能作用,因此可以想見其轉運情形與植體之耐藥性有關。Tardif and Lerotlx(1993)以鵝觀草(quackgrass; Elytrigia repens)五種生物型為材料,測定14C-gyiphosate之轉運型式及分布,結果發現其中有一生物型可以抗嘉磷塞,其原因係14C-gylphosate不會累積在鵝觀草根莖(rhizome)之頂端。又Green et al.(1992)以放射性標定之嘉磷塞進行葉面施用,檢驗四種木本植物(woody plants)對嘉磷塞之吸收與轉運型式,其中較耐除草劑之松屬植物(Pinus taeda L.)與Ilex vomitoria L.明顯地較紅楓(Acer rubrum L)或白橡(Quercus alba L)吸收較少的嘉磷塞,亦即葉部的吸收能力對於阻止嘉磷塞進入相當重要。此外,雖然白橡與紅楓之間的除草劑吸收情況類似,但較敏感之白橡累積較多的嘉磷塞於根部,顯示在一些木本植物轉運型式也明顯影響植物對嘉磷塞之耐性。
三、抗性作物之品質
由於生物技術之進步,逐漸有更多的轉殖作物(transgenic plants)出現,然而當這些作物要作為人類食品時,必然會對其組成份及營養成分是否改變產生疑慮。Nida et al.(1996)針對耐嘉磷塞之轉殖棉花分析其種子成分及養分,包括蛋白質、脂肪、纖維、碳水化合物、色澤、水分、灰分、氯基酸與脂肪酸含量。此外,也分析種子中的antinutrients,包括gossypo1、cyclopropenoid fatty acids及aflatoxin等,結果顯示耐性品系之組成分均與一般品系相同。換言之,轉殖棉花與其親本及一般商業品種同樣安全與營養。
四、結語
嘉磷塞為一種非選擇性除草劑,其具有廣效性之優點,但也容易引其作物傷害或死亡,因此田間作物栽培時如何有效運用除草劑於雜草防除遂為一重要課題。由於除草劑之研發工作必須投入大量之財力、物力及人力,若能對於現有除草劑加以維持與利用,不但可以延長使用年限,也可減輕成本。為了增加除草劑之選擇性,利用生物技術將抗性基因轉殖至作物中以增加抗除草劑之能力,應該也是雜草防除策略之一。
五、參考文獻(略)