第五卷第二期 (提要)
植物體對光系統I型除草劑之抗性機制
少量多樣化作物一轉型的雜草 仙草
一些值得深思的"雜草話題"
植物體對光系統I型除草劑之抗性機制
國立中興大學農藝學系 林韶凱 王慶裕
一.前言
巴拉刈(paraquat)與大刈〈diquat〉是最常見的光系統I型除草劑,廣泛運用於田間雜草的控制。這類型除草劑屬於接觸型非選擇性藥劑,觸殺雜草效果迅速且方便,亦稱為聯砒啶(bipyridyliums)類殺草劑，就全球消量而言，以巴拉刈較大刈為多。
然而,由於長期施用這類型除草劑,對雜草造成選拔壓力。致使全世界有十七種雜草對光系統I型除草劑產生了抗藥性(Preston,1994)。澳洲南方的Hordeum glaucum、H.lepori- num 、Arctotheca calendula 以及Vu1pia bromoides四種雜草,由於在田野中連續24年長期施用巴拉刈及大刈之情形下,產生具有抗性之生物型(Purba ef al.,1993)。曾有學者發現,這類型抗性來自於一對不完全顯性基因。此類除草劑抗性,可能與下列四項有關:
一、植物體是否減少除草劑的吸收。
二、除草劑在植物體內的轉移是否受阻。
三、除草劑是否順利到達反應光系統I(PS I)活化中心
四、除草劑是否減低光系統I活化中心的電子接受能力。
於本文中,主要以金盞草(Arctotheca calendula)為材料,針對除草劑從吸收到與光系統I反應活化中心作用之過程可能產生之抗性原因予以說明。
二、光系統I型除草劑對植物體之作用機制
巴拉刈及大刈均為聯砒啶類除草劑。本類型藥劑極易溶於水,在水溶液中解離成離子狀態,毒性來咱於其陽離子部份,陰離子則不具毒性。一般田間用量巴拉刈與大刈分別為0.56-1.12 kg/ha及0.56kg/ha。聯砒啶也使類除草劑的毒性與其化學結構及氧化還原值有關。在化學結構上,須由兩個可也是環形成一偶合形態的結構。當植物進行光合作用時,光反應系統I自
plastocyanin接受電子後,再依序傳給鐵氧化還原蛋白(fetredoxin Fd-EO=-0.43)及黃素蛋白(flavoprotein )(EO=-0.32V)。其中,鐵氧化還原蛋白及黃素蛋白(flavoprotein)分別為電子接受者(accepter)。然而由於大刈及巴拉刈之EO值分別為-0.45v及-0.35v,與上述兩蛋白極為接近,因此會掠奪鐵氧化還原蛋白及黃素蛋白欲接收之電子,使NADP還原為NADPH之作用受阻。這些除草劑由於一再的經由自動氧化還原過程,將其得到之電子轉移到氧分子上,形成如H202,02.,OH及102等過氧化物',皆具有強氧化力。這些過氧化物會造成膜系構造中脂質結構之脂肪酸氧化,因而破壞膜系結構,使細胞內容物流出,造成植物萎凋致死。
三、雜草抗性生物型之產生原因
Preston et al.(1994)在澳洲南方之田野間,取得因施用聯砒啶類除草劑,所產生之抗性金盞草,並在附近的道路旁、牧場等未施用過除草劑的地區找到敏感性金盞草。氏等分別以不同濃度之大刈及巴拉刈處理四至五葉期的金盞草,結果發現具抗性之金盞草在兩種除草劑施用下,其存活率皆比敏感性生物型為高。由此試驗可以得知敏感性金盞草的大刈及巴拉測半致死劑量分別為25g/ha及200g/ha。以此半致死劑量再處理兩生物型植株。分別於處理後四小時取葉片片段,以氧電極測定葉片片段氧氣的生成量,顯示敏感型植株於處理一小時之後,氧氣的生成量已減少了80%。然而抗性生物型在處理後一小時至四小時,可以明顯發現其氧的生成量仍維持較高的釋放量。在此案例中,抗感性生物型在葉片片段的材料中可反映出除草劑作用下之光合能力差異。然而造成抗性差異之真正原因為何?可分別從下列各層次說明:
A.光系統1活化中心之反應
在前述聯砒啶類除草劑的作用過程中,推測抗性產生的原因是由於除草劑抑制光系統I的電子接受能力降低所致。在此情形下,Preston et al.(1994)分別利用從金盞草抗性及敏感性生物型葉片中分離出的類囊體膜(thylaieoid membrane )為材料,並以不同濃度的巴拉刈及大刈處理後,以氧電極測定光反應活性,結果發現由於除草劑在反應過程中,會將取自電子傳遞鏈之電子給予氧氣,產生過氧化物。使得氧氣的消耗量,會隨著除草劑的濃度增高而上升。然而可以明顯地發現,兩種生物型所分離出的類囊體膜在除草劑作用下,氧的消耗量並無明顯差異。因此可以斷定金盞草材料中,光系統I之活性差異,並不是影響聯砒啶類除草劑抗藥性的原因。
B.除草劑吸收及轉運之差異性
由於前述葉片片段,及類囊體膜對聯砒啶類除草劑有不同之反應,因此,是否除草劑之轉運與代謝才是抗性產生的原因? Preston et al.(1994)測定葉面對於除草劑的吸收速率，氏等藉由施用14C-diquat(經l4C標定之大刈)處理葉片,在不同時間內測定植物體內部的l4C放射性強度得知在處理後的30分鐘,已有30%的大刈被吸收。於八小時之後,則有大於85%的劑量被吸收,值得注意的是在兩生物型中除草劑之吸收速率並無明顯差異存在。
在除草劑轉運(tanslocation)試驗中,Preston et al.(1994)以金盞草之完全展開葉為材料,於葉片末梢滴上一小滴(2mm3)之[l4C]diquat'由於先前吸收之試驗中,抗感性生物型並無明顯差異,因此在此可直接考慮轉運之差異性,分別於8、24以及48小時後,分別將處理部位、葉片末梢、葉片以及植物體四部份分離。並測定兩生物型內除草劑的轉運情況。處理後八小時,在抗性及敏感性生物型中,皆有50%以上的吸收量仍然留滯於處理部位。在48小時後,處理部位的除草劑含量減少至30%以下。然而,大部分的除草劑仍僅轉運在葉片末梢的範圍內,僅有小於2%的除草劑轉移至其他部位,且兩生物型中並無明顯差異存在。
從上述吸收及轉運的結果,可以知道不論金盞草抗性或敏感性生物型,對於聯砒啶類除草劑的吸收都是極為快速的。並在吸收後,迅速觸殺鄰近細胞,使得轉運作用受到牽制,此為接觸型除草劑的特點。由實驗的結論,可以確信,金盞草對於聯砒啶類除草劑產生抗性的原因,應該與除草劑的吸收及轉運沒有明顯關係。
C.抗性生物型細胞壁對除草劑之吸附
植物體產生抗藥性之另一可能原因,在於除草劑是否被吸附於細胞壁上,而無法到達光系統I活化中心。Norman et al.(1993)以菊科雜草假蓬(Conyza)為材料指出C. bonariensis能抗巴拉刈之原因在於吸附(sequestration)機制,而防止除草劑擴散進入光系統I作用位置。此種吸附機制必須有構造完整之細胞壁,以發揮功能。然而,Hart et al.(1992)進行研究,利用[14C ]diquat之吸收以及流出的量得知除草劑吸附於細胞壁的情形。氏等將金盞草兩生物型葉圖片以甲醇與氯仿,將細胞之葉綠素及內容物完全溶解除去。再利用放射性同位素(isotope)測定藥劑殘留於細胞壁的量,發現抗性及敏感性生物型葉片之細胞壁對於除草劑之吸附並無明顯差異(Hart et al吋1992)。換言之,對於金盞草之抗藥性,與細胞壁吸附除草劑並無關聯。
D.除草劑對於活化位置之穿透(penetration)
Preston et al.(1994)將金盞草的葉片末梢切成lmm寬之薄片,並在黑暗中以不同濃度大刈除草劑先行處理10分鐘再移至1200μmol m-2S-l光量子強度之光照下,測定反應活性。由於葉薄片係與除草劑直接接觸,可以得知大刈除草劑滲透至光系統I活化部位所引起的反應,發現敏感性生物型氧的生成量濃度相當低,抗性生物型則較不受影響。因此可以知道,除草劑在滲透至金盞草抗感性生物型光系統I活化中心的過程中,有不同的結果。在抗性生物型,除草劑滲透至光反應活化部位的過程受到阻礙,敏感性的生物型則無。
四、影響抗性之因子
Purba et al.(1995)在澳洲發現對巴拉刈具抗性之Hordem leporinum及Hoglaucum二物種之抗性生物型,此種抗性在正常的冬季表現良好,一旦在夏季則抗性明顯降低。氏等從分離的類囊體膜反應中,發現抗性生物型對巴拉刈之反應並無不同。在15℃時施用於感性生物型葉片有較多之巴拉刈向基部轉達,然而30℃時則在抗性生物型有較多的巴拉刈向基部轉運。氏等研究指出,H.leporinum生物型之抗性機制與減少巴拉刈轉運及巴拉刈穿透進入活化位置有闕,而且此種機制對於溫度很敏感。
五、結論
早期的研究指出,抗性產生的原因可能與植物體中所增加的超氧歧化酵素(superoxide dismutase)或是oxygen-detoxifying等能減少過氧化物產生之酵素有關(Shaaltiel et aI (1986),這些酵素也能增加對除草劑所產生之活化產物的解毒能力。但由於除草劑在光照下會迅速且大量的形成自由基,所以這種機制是緩不濟急的。唯有減少除草劑到達量與作用於反應中心的量,才能形成較高的抗性。在最近的報告中提及,有部份的聯砒啶類除草劑會積聚在根部組織中,可能是由於一種二價的多元胺作為載體,將除草劑攜帶至根部聚積(Hart et al (1992)。此種的機制在H. glaucum中亦曾發現。然而,也可能有其他的原因,包括了增加細胞膜對除草劑的吸附能力,以及除草劑在到達光系統I活化中心前,被攔阻下來。至於抗性機制之分子模式及其他可能的作用機制,尚待進一步的研究及建立。
六、參考文獻(略)
少量多樣化作物一轉型的雜草 仙草
臺灣省農業試驗所農藝系 楊純明
胡敏夫
我是"雜"草,我也是"仙"草。臺灣省政府農林廳陳廳長武雄自上任以來,以「提升農業競爭力,建立產業新形象」為階段性農業政策的主軸。要提升農業競爭力,才能使農業永續發展,其中少量多樣化農特產品的措施,即為一項務實有力的作法。本刊前期介紹薄荷,本期持續引介仙草,期以獲得更多迴響。在農林廳發展地區性少量多樣化農作物類別中,仙草為重點特用作物之一。
仙草(Mesona procumbens Hemse1)為仙草屬唇形花科(Labiatae)一年生或多年生草本植物,分散於臺灣地區中低海拔的山野,成群繁殖的特性而容易發現其蹤跡。仙草不同於別名為仙鶴草的龍牙草(Agrimonia pilosa Ledeb.),龍牙草為龍牙屬薔薇科(Rosaceae)多年生草本植物。
外觀特徵:仙草植體有分節的毛,方形的莖常呈褐色或紅褐色,下表面多毛的橢圓形對生葉片邊緣有鋸齒。筒狀唇形花冠淡紫色,輪繖花序頂生或膜生,秋、冬開花。瘦果小、,倒卵形。仙草植體一般高度約20-6Ocm '常見有匍匐型與半直立型兩種,野生種分佈臺灣全地山麓地帶(胡敏夫等,中華農業研究46:32.41,1997)。惟因仙草為常異交植物,隨著生長環境而演變許多生態型,外觀性狀差異甚大。
用途:仙草具有多功用途,可作為野菜、藥草等,食用以莖葉為主要部位,藥用則全株均可,符合少量多樣化植物的發展條件。仙草的地方別名甚多,如仙人草、仙草凍、仙人凍、仙草舅、涼粉草等。仙草因被民間認為具有清熱涼血及降低血壓等功效,近年來已發展出多樣化食用與加工產品,如仙草凍、仙草糊、仙草雞、燒仙草、仙草健康飲料等。
栽培:仙草之經濟栽培以宿根苗杆插或種子繁殖為主,目前臺灣地區以(1)新竹縣、關西、(2)苗柔縣三義、銅鑼、及(3)嘉義縣、水上、番路、竹崎、中埔等為盛產區,栽植面積保守估計超過100公頃。農民栽植仙草的株距以60或90公分最常見,行距約140公分。仙草以3-4月為栽植適期,而以植株頂芽與腋芽長出花蕾時為採收適期,約在9-10月間(即生育期約需180天)。管理良好之仙草乾草產量平均每公頃9,OO0公斤,市價每公斤介於25-50元不等,因此粗收益每公頃約225,OOO-450,OO0元。
化學組成份:經試驗分析發現,株距增加使生長較旺而凝膠品質較差,株距減少則浪費苗株且管理、採收耗時費工,惟凝膠品質提高;葉形大且長者,產量較高;礦物元素以針、鈣、磷、生美較多,含鐵量高者葉色較深;莖之粗纖維量高於葉,而葉之粗蛋白質、粗脂肪、灰分等含量則高於莖;植體中另含有無氮抽出物、碳水化合物(如游離醣，多醣體等)。
一些值得深思的"雜草話題"
一如國內其他學門領域的現狀,雜草科學的發展仍停留在研究人員本身的見識;換言之,係依照研究人員的專業訓練及個人對研究題目的興趣從事研究活動。臺灣地區的農業發展及研究方向正是如此,似乎欠缺主動的規劃與整體的藍圖,空有亮麗的口號。事情是這樣發生的,當農民自行栽植的新作物製造出栽培上的問題,或帶來新的病蟲災害,引起了農政機關重視後,研究人員才開始收拾善後、尋求解決方法。或者,當某位高權重人士認為某項農產品或某作物,很有發展潛力,要求農政機關引進(用),研究人員才著手進行研究。或者,當國外正積極發展某新興研究項目時,研究人員才追隨其後,做類似工作,而未有其他配套研究及農政機關的支持。種種奇怪現象層出不窮,因此往往研究成果未受重視、或不盡實用、或只能解決問題而無法開創新局,造成有限的研究資源成為無用的浪費,研究人員垂頭喪氣不知因何而戰、為何而戰、如何而戰。理想的作法應該是這樣的,由權貴單位(或公正機構)邀集農民代表、農政官員、資深研究人員、及利害團體等聚會,針對初擬議題商討,修正出最適(各方均能接受)的議題。再就各項議題訂出產、銷有關的項目,組成各項目工作團隊,由各工作團隊負擔任務成敗執行此一項目。如此,各議題必是關切民生的重要議題,各項目必是達成議題相關的必需項目,各工作團隊必是能夠完成各項目的必要人員所組成,而工作團隊執行的是必要的工作、最後的成果是可以落實應用的完整作業系統。
初擬議題的產生,或延續舊有制度,或根據現況需要,或著自民未來發展,但是必定符合邏輯、切應所需。雖然最終形成的最適議題可能差之千里,初擬議題提供了聚會的動機、問題所在、及討論方向。最適議題的誕生,是合於各方面利益的,也是大家所能接受的議題方案。此種方案發掘出問題,討論出問題的相關項目,考慮了產、銷的均衡,也期待問題被解決。各個項目的衍生,顯示出問(議)題的複雜性與關聯性,必須要結合學者專家共同合作謀求解決之道,因而成立各項目的工作團隊。每一團隊負責單一項目,也擔負執行該項目的成敗,所以團隊的組成應該涵蓋必要的專業人員,更應該齊心協力。當各工作團隊完成了所屬項目後,接下來便是該議題作業系統的整合與調和,真正的落實於應用。最後,由作業系統的應用層面與範園,客觀的評定其價值,公正的論斷其成敗。
雜草的研究,其實就是作物的研究。現有作物耕作制度的成功與否,由雜草管理的良痞,可以反應出產量及品質。另一方面,未來新興作物的產生與投入生產,代表了某種雜草功能(用)的開發,將「雜草」順利轉型成為「作物」。雜草研究的重要性由此可見,雜草研究的必要性亦由此顯現。歡迎大家參與雜草研究,也邀請大家投入雜草研究領域,因為惟有雜草研究同時擁有現在的光輝和未來的發展潛力,讓您歡喜自在,帶您進入天人合一境界。