:::主要內容區

生物除草劑之研發與應用

農業藥物毒物試驗所 袁秋英.謝玉貞

一 . 前言

  作物栽培過程中,雜草對作物的競爭與危害,常為農作生產管理的困擾,前人研究顯示約有 1,800 種雜草造成糧食產量損失約 9.7% 。自從化學除草劑上市以來,由於具有快速、廣效、經濟且省工的特性,至今除草劑仍是雜草防除最主要的管理方式。然而隨著環境保護呼聲的提升,長期及大量使用化學性農藥,造成藥劑殘留的環境污染、人畜安全,以及日益嚴重的抗藥性問題,已引起全球廣泛的關注。為了保護人類生存環境和農業的可持續發展,化學除草劑的研製與使用將嚴格受到安全性考量的制約。因此生物除草劑 ( Bioherbicides ) 的開發及其有效利用的潛力,相形之下日漸受到重視。

  一般而言,生物除草劑主要是指利用植物、微生物等活體,或其具有除草活性的次生代謝產物研發之生物製劑。以微生物源開發的生物除草劑種類較多,其次為植物源除草劑。生物除草劑有別於化學除草劑,不僅資源豐富、不破壞生態環境、易生物降解、毒性低、殘留少、具選擇性,且對非目標生物和哺乳動物較安全、環境相容性佳、開發費用較低、化學結構多樣化,甚至可能發現新穎的作用機制。然而從數百種以上具除草潛力的植物二次代謝物或微生物中,僅極少數發展為商品化的生物除草劑,其研發過程及實際應用之間仍存在各種難處,本文針對 2 種主要的生物除草劑-植物源除草劑及微生物除草劑,綜合論述其運用原理、具除草潛力與已商品化的生物性除草劑、研發之可能障礙,以及未來新技術運用的遠景。

二 . 植物源除草劑

  一般而言,利用其他植物抑制雜草之生長或是研發新興之生物性除草劑,主要是運用植物相剋(化感)作用( Allelopathy )之原理,即為「植物(或微生物)經由釋出化學物質,而對其他植物產生直接或間接的有害影響」,植物相剋化合物釋出的途徑可區分為 4 種:根系之分泌物(如黑胡桃樹之胡桃醌( Juglone ))、莖葉產生之揮發性物質(如檸檬桉葉片之烯類化合物,抑制蘿蔔萌芽)、莖葉淋洗釋出之化合物(如桉樹葉片之酚類化合物,抑制亞麻生長),以及植物莖葉殘體釋出之化合物(如蕨類枝葉)。此等植物二次代謝產物多達 40 萬種以上,目前全球 30 科屬植物具除草功效的化合物已有 100 種以上,其中相剋物質大都為酚類和萜類化合物,另有生物鹼類、香豆素類、腈類、類黃酮類及萜烯類等 10 餘種化合物類別。雖然植物中的多種相剋物質有抑制雜草生長的效果(表 1 ),大多數相剋物質除草活性較現有除草劑弱,無法直接於田間使用。

  針對此等除草活性物質進行分離及鑑定,探索新的活性化合物,其中多種天然化合物的結構已成為新除草劑先趨結構之訊息,配合除草活性分析,進行結構的修飾、衍生,增強除草功效,此等研發技術成為現階段開拓新興除草劑的重要途徑。已商品化的 Callisto 為先正達公司( Syngenta )於 2007 年研發之除草劑, Callisto 的活性成分為甲基磺草酮( mesotrione )(表 1 ),是從紅千層(Callistemon spp. )的纖精酮( leptospermone )衍生而來,可有效防治禾本科與闊葉雜草,但玉米對其具耐受性。此外, sulcotrione 及 EK3652 亦由纖精酮衍生發展為新除草劑,此主成分抑制的作用點為對 - 羥苯基丙酮酸雙氧化酶( 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase , HPPD ),造成雜草死亡。 Triketones 除草劑為利康公司之產品,其主成分是由莎草中的莎草茵( cyperine )代謝產物 leptospermone 衍生而來,另有亞喜芬( acifluorfen )亦同(表 1 )。其作用機制皆為抑制原卟啉原氧化酶 ( protox )之活性 。

三 . 微生物除草劑

  另外備受關注的研發重點為微生物 除草劑, 60 年代起歐美各國即開始從事微生物除草劑之相關研究,目前報導具除草功能的微生物類別有真菌、細菌、病毒、放線菌和線蟲等。利用微生物防除雜草的方式 可區分為二種,一為直接以致病的活體微生物, 經篩選出的致病菌株大量培養,研發成微生物製劑,噴施或接種於雜草,防除目標雜草 ;另一為利用真菌病原毒素或菌株具除草活性之代謝物,經發酵或化學合成方式開發為除草劑, 亦有稱之為「農用抗生素除草劑」 。

  研發初期大都以活體微生物為主,防除的對象包括難防治雜草、寄生性雜草、外來雜草或具毒性雜草。因選用分離出的致病微生物對寄主大都具種間特異性,不致危害非目標植物。活體微生物防除雜草的防除效率,取決於對標的雜草的侵染能力、侵染速度與致病強度等因素。最常見的植物病原物是真菌類微生物,可直接穿透寄主表皮進入組織,且易於人工大量繁殖,製備成以孢子為主之生物製劑。

  一般易引起雜草嚴重病症者,如炭疽、枯萎、葉斑等病原菌較具除草潛力。包括真菌之 炭疽菌 屬( Colleototrichum )、 疫病 屬( Phytophthora )、 鐮胞菌 屬( Fusarium )、 鏈格菌 屬( Alternaria )、 銹菌 屬( Puccinia )、 尾孢菌 屬( Cercospora )、黑粉菌屬( Entyloma )、殼單孢菌屬( Ascochyta )及 菌核病菌 屬( Sclerotinia )等 9 屬微生物。但因真菌孢子型製劑對環境條件要求嚴格,在批量生產、配方、貯藏等技術問題門檻較高,因此不易量產、推廣及被接受。自 90 年代開始,從 真菌病原毒素或 雜草根系土壤的微生物菌群,篩選具有除草活性的細菌,成為除草劑開發研究的重點,包括假單孢菌屬( Pseudomonas )、腸桿菌屬( Enterobacter )、黃桿菌屬( FIavobacterium )、檸檬酸細菌屬( Citrobacter )、無色桿菌屬( Achromobacter )、產鹼桿菌屬( Alcalligenes )、黃色單孢菌屬( Xanthomonas )及伊文氏菌屬( Erwinia )等 9 屬細菌。

  目前已商品化之微生物除草劑,其中活體微生物除草劑以真菌除草劑( mycoherbicide )為主,其次為細菌除草劑,大都以專一性致病菌株防治特定目標雜草,例如 Collego 為美國農部和 Upjohn 公司合作開發的真菌除草劑,從豆科田皂角(Aeschynomene virginica )中分離出含有皂角長孢炭疽菌(Colletotrichum gloeosporioides f. sp. aeschnomene ),主要利用孢子製備為可濕性粉劑,此菌株造成寄主植物莖葉致命萎凋,可有效防除田皂角(表 2 )。 BioSedge TM 為利用Puccinia canaliculata (銹病菌)防治黃土香(Cyperus esculentus )的真菌性除草劑。 Camperico 為日本煙草公司研發的細菌性除草劑,其有效成分是細菌 ( Xanthomonsas campestris pv. poannua ),於葉面噴施造成早熟禾及剪股穎的枯萎病,主要用於防除高爾夫球場的草坪雜草,防治效果可達 90% 以上。此外,多種微生物亦被發現具除草活性,如Phoma macrostoma 分別於美國( 2010 )及加拿大( 2009 )登記中,可有效防治蒲公英、田旋花及豬秧秧等闊葉雜草(表 2 )。農業藥物毒物試驗所亦針對臺灣低海拔地區危害嚴重的平原菟絲子( Cuscuta campestris Yunck ),分離出高度專一性的炭疽病原菌(C. spp. ),配合適當保濕助劑,開發為孢子型製劑,田間施用後可達 95% 以上之防治率(附圖),近年不僅協助北及中部多個縣市政府,有效防除安全島植栽及行道樹上纏繞的平原菟絲子,另已將防治平原菟絲子的技術移轉於屏東生技園區廠商,落實於產業上之應用。

  以微生物代謝物發展的除草劑,常易發現新結構的化合物,或是新穎的作用機制,較活體微生物製劑,具有使用方便、易貯存及利於劑型加工等優點,後續適宜發展為藥效穩定的廣效性除草劑。目前以鏈黴菌屬菌株(Streptomyce spp. )的代謝產物最有潛力,其中已成功而普遍於全球使用者為固殺草( glufosinate )及 畢拉草 ( bialaphos )。 畢拉草為日本明治制果公司於 1971 年首次從S. viridochromogenes S. hygroscopicus 分離出之有機磷三肽化合物,此化合物經植物部分代謝後成為 phosphinothricin ( PPT ),具有抑制麩醯胺 酸 合成 酶( glutamine synthetase, GS )的活性 。之後德國赫斯特公司(已併入拜耳)( 1981 )以 PPT 為先趨結構,經修飾及人工合成為固殺草,現今固殺草廣泛用於防除一年生和部分多年生禾本科及闊葉雜草。另有除草活性的微生物代謝物如除草菌素( Herbicidin )、綠僵菌素( Destruxin E )、杆孢菌素( Roridins )和疣孢菌素( Verucarins )等,分別列舉於表 2 。

四 . 生物代謝物之新穎性除草機制

  將陸續開發的植物或微生物代謝物作用標的酵素,與化學除草劑者比較(表 3 ),顯示此等生物代謝物於胺基酸合成、脂質合成、核酸合成或膜質功能的多種酵素的抑制現象為化學除草劑所闕如,例如 thiolactomycin (乳黴素)、 cerulenin (淺藍菌素)分別作用於脂質合成之 acetyl coa transferase ( ACT )及 β-ktoacyl-ACP synthetase 酵素。 phaseolotoxin (菜豆菌毒素)、 rhizobitoxin (根瘤菌素)及 cineole (桉葉素) 則 分別作用於胺基酸合成中 ornithine carbamyl transferase ( OCT )、 cystathionine- β-synthase ( CBS )及 asparagine synthetase 等酵素, 支鏈胺基酸合成路徑中之酵素僅植物及微生物才有,昆蟲及人畜皆無,此等 生物代謝物 多具低毒性特點,且新穎作用機制的生物除草劑,具有解決多重抗性雜草之潛力,更適於未來市場之推展。

五 . 生物除草劑之可能研發障礙

  雖然目前全球具除草功效的植物或微生物代謝物已超過數百種,然而發展為商品者仍極為少數,主要原因是生物除草劑在其研發和應用過程中,可能存在著生物性、櫥架壽命、環境因素、生產技術和商業考量等不同問題,阻礙生物除草劑的快速發展。例如於生物活體部分:植材取得難易、相剋物質生物量之多寡、菌株變異退化、致病力減弱(如魯保 1 號)、活性物質不穩定等生物性問題,亦可能延伸為不易貯存的低櫥架壽命;環境因素:通常微生物除草劑對環境條件的要求比化學除草劑更嚴謹,包括溫度、濕度影響微生物孢子的萌芽和侵染,活性物質對紫外線之耐受性,亦為影響藥效的另一重要因素;生產技術方面:常受限於無法穩定量產菌株、孢子或發酵活性代謝物,另亦可能因代謝物結構複雜不易合成,或合成成本過高而成為研發障礙;市場之經濟效益方面:活體微生物大都以防除特定雜草為主,適用範圍及銷售量明顯受限,如 BioMal 生產成本過高,因此價格昂貴,農民接受度低。甚至 DeVine 可能因市場容量小,產品現已不再出售。

六 . 運用新技術於開發生物性除草劑之遠景

  由於現今生物技術及發酵工程的持續發展,將其運用於探討微生物或植物毒質之除草作用機制,通過基因工程和細胞融合技術,重組自然界存在的優良除草劑基因,如經由大量誘發強致病基因的表現或轉殖產毒基因,以克服菌株變異退化、致病力減弱、活性物質不穩定等生物性問題。此外,運用適當的助劑或劑型,亦可能促進和調節孢子萌發,降低受環境之影響,進而提高穩定性及防治效果。另可同時利用 2 種以上的微生物,突破寄主專一性之限制,開發為廣效性藥劑,提高防除雜草的功效。現今已有多種市售除草劑是運用具除草活性代謝物為先趨物衍生而成,生物除草劑因具有易降解、毒性低,甚至可能為新穎作用機制等特質,因此生物性除草資材將持續被關注及開拓。

附圖 藥毒所研發之高專一性真菌製劑,有效防除寄生性雜草平原菟絲子(Cuscuta campestris Yunck)。(A)分隔島中金露花植栽攀爬大量平原菟絲子族群,進行真菌製劑之噴施,(B)平原菟絲子完全防除後之金露花植栽。 附圖 藥毒所研發之高專一性真菌製劑,有效防除寄生性雜草平原菟絲子(Cuscuta campestris Yunck)。(A)分隔島中金露花植栽攀爬大量平原菟絲子族群,進行真菌製劑之噴施,(B)平原菟絲子完全防除後之金露花植栽。

附圖 藥毒所研發之高專一性真菌製劑,有效防除寄生性雜草平原菟絲子( Cuscuta campestris Yunck )。( A )分隔島中金露花植栽攀爬大量平原菟絲子族群,進行真菌製劑之噴施,( B )平原菟絲子完全防除後之金露花植栽。

表 1 具防除雜草之植物代謝物、來源及防除對象

表1 具防除雜草之植物代謝物、來源及防除對象

表 2 微生物除草劑及防治對象

表2 微生物除草劑及防治對象

表 3 植物及微生物代謝物與化學除草劑之作用標的酵素比較

表3  植物及微生物代謝物與化學除草劑之作用標的酵素比較

本網站刊載之「農政與農情」其所有內容,包含文字、圖像等皆可轉載使用,惟須註明出處。
  • 回上一頁
  • 101-09-18:32,436