2018年9月13日 星期四

神奇作物「解毒劑」: 解密天然殺菌劑- 鏈黴菌

神奇作物「解毒劑」: 解密天然殺菌劑- 鏈黴菌

編譯 張瑞玶編輯 林韋佑

「鏈黴菌(Streptomyces)」是在野生植物、作物以及自然環境中都能找到的細菌,特別是在土壤表層以及植物根部等位置常常都能發現鏈黴菌。台灣農民常聽到的「蔡18菌(谷特菌」商品其中就有鏈黴菌的成分!

除了農業使用,鏈黴菌也是人類製作抗生素的主要材料,肺結核病使用的抗生素藥劑就是來自於鏈黴菌。除了醫療使用外,近年來越來越多研究報告指出鏈黴菌能夠抑制作物有害病菌的生長,未來鏈黴菌很有機會成為對環境友善農藥(例如殺蟲劑與殺菌劑)的天然替代品。


「以人工方式合成生物具有的化學分子,並研發讓人類使用的合成技術」這門學問稱做「合成生物學(Synthetic Biology)」,合成生物學與農業跨領域日新月異的發展,也讓作物家能夠進一步的探究,如何將醫學研究中的鏈黴菌應用於農業領域。

研究顯示:微生物不僅有助於促進植物根系的生長,並且還能夠有效地控制土壤中植物害蟲的數量。跨國農業集團- 
法國De Sangosse公司正投入一項生物農藥研究計畫,其計畫經理Thomas Rey與法國科學家在2016年與植物科學家合作發表了一篇鏈黴菌作為天然殺菌劑的分析報告,文章被刊登於植物趨勢期刊(Trends in Plant Science)。

鏈黴菌的菌落
圖片來源: https://www.flickr.com/photos/microbeworld/4834181717/in/photostream/

報告指出:「鏈黴菌是一種獨特的土壤微生物,並且能夠多種具有生物活性的分子物質,不僅能夠保持植物根系的健康,還能促進植物生長。」

鏈黴菌還具有保護植株與解毒的神奇功效,當土壤中的致病菌釋放對作物有害的毒素時,鏈黴菌能產生對保護作物的「解毒劑分子」-  一種能夠保護作物健康的活性物質,讓作物免於真菌病害。鏈黴菌的特殊功效,反映出其具有能夠幫助農民以永續方式來保護作物的潛力。


運用鏈黴菌作為保護植株的概念雖然簡單明瞭,然而,植物周圍的土壤富含多樣性的微生物。
科學家仍需要找尋各種且更精確的方式來探討:土壤中多樣性的微生物與植物的交互作用,以及微生物所釋放的代謝物對植物生長的影響,並明確釐清微生物與環境互動中的各種細節問題,才能夠真正的幫助人類將知識準確地轉移至因為接觸鏈黴菌而受益的作物之上。

人類第一次從鏈黴素純化出氯黴素(常見抗生素)並進行研究試驗,圖為Mildred Rebstock 及 Eugene H. Payne.兩位科學家。圖片來源:維基百科 https://en.wikipedia.org/wiki/Mildred_Rebstock#cite_note-8


然而在研究鏈黴菌的農業應用時,Rey與他的團隊也做出重要提醒:鏈黴菌應用在農業時,要小心避免發生生物安全問題。畢竟鏈黴菌是抗生素的成分之一,進行研究時更需防止作物致病菌產生抗生素的機會。更得防堵抗性菌株再度釋放於環境之中,也要注意人類與動物的有害病菌對抗生素產生適應性的機會。

關於鏈球菌的誘變或是鏈球菌基因組編輯相關的研究,在環境方面的申報與運用也仍須進行更精確的確認。儘管含有許多潛在且具有挑戰性的困難,Rey與他的團隊仍然認為,過去涉及鏈黴菌藥物與醫學的研究,已為鏈黴菌應用於農業奠定了扎實的基礎。

最後Rey表示,「使用微生物保護植物是一種未來生物農業發展的新趨勢,雖然鏈黴菌也不是唯一一種可用於生物防治的微生物, 但鏈黴菌卻是一個非常獨特的存在,因為它是少數可以跨越藥理學以及農業領域研究的微生物之一,持續的進行深入研究與運用此研究概念和成果,將有益於未來的農業發展。」


資料來源: 每日科學 Dec 1, 2016   Natural alternatives to protect plants inspired by pharmaceutical research

2018年8月23日 星期四

甲殼素當肥料,聽科學家解密甲殼素好用的原因!

甲殼素當肥料,聽科學家解密甲殼素好用的原因!

編譯 張瑞玶編輯 林韋佑

傳統農業使用的氮肥,不僅對水資源與空氣都可能造成污染,同時還會造成土壤降解並導致全球暖化。因此,尋找與開發更有效且對於環境友善的有機肥料,是農業永續發展該面對的重要課題。運用天然且可生物分解之生物聚合物,像是有機肥料,將可能成為無機氮肥的永續替代品,減少無機氮肥對環境帶來的危害。


為了實際解決這個問題,西班牙植物生物技術與基因組學研究中心(Centre for plant Biotechnology and Genomics, CBGP ,UPM-INIA),與來自西班牙馬德里理工大學(Universidad Politécnica de Madrid, UPM)以及德國漢堡大學(University of Hamburg)的研究人員,共同合作開發出一種新技術,生產由甲殼類動物與昆蟲的外骨骼幾丁質中所獲得的生物化合物,製作成可生物降解的材料並加入有機肥料之中。


以肥料的形式進行實際測試的研究成果發現,包含甲殼類動物與昆蟲外骨骼幾丁質的有機肥料,將有助於刺激多種森林植物與草本植物的生長,土壤中的氮與碳的總含量更是增加了多達10%,也提高植物的根系生長勢。

此種生物化合物材料具有許多優點,除了可以進行生物降解、不溶於水,對於人體健康無害以外,也不會污染環境。

由於此種新型生物肥料並不會因為蒸發或淋洗而消失,因此,在達成同樣的成效之下,使用量可低於其他種類的化合物。此外,還能有效地恢復因過度採收而損壞土壤之生物多樣性。而在成本考量方面,比使用其他有機肥料的成本便宜多達10%。

根據上述關於此種新型有機生物肥料的特色介紹,與傳統肥料相比較,含有甲殼類動物與昆蟲的外骨骼幾丁質的具有生物分解能力之有機肥料,因製造方式相對簡單以及具有價格相對低的優勢,這將促使此種新材料有潛力成為農業肥料領域以及相對應市場願意使用的永續肥料之替代品。


資料來源: 每日科學 Oct 7, 2015   New biofertilizer made from exoskeletons of crustaceans, insects

2018年8月16日 星期四

植物疫苗取代農藥,新型植物保護藥劑「適法性」決定商機

植物疫苗取代農藥,新型植物保護藥劑「適法性」決定商機

編譯 柴幗馨編輯 林韋佑

分子生物學的快速發展,讓尖端生物科技在農藥產業的應用又有新的突破。為了減少農藥的使用,科學家以氧核醣核酸–RNA為材料,設計出「給植物使用的分子疫苗」。由於RNA分子在自然環境中的分解速度極快,相對於傳統農藥或植物保護劑,新型分子疫苗是將會是對環境更為友善的創新農業資材。



作物病蟲害是人類最頭痛的影響到糧食生產的問題之一,儘管有各種化學藥劑防治的方法,但使用這些殺蟲劑與殺菌劑後果,除了無法避免對人體健康的疑慮,還會影響自然環境。

芬蘭赫爾辛基大學與法國國家研究中心合作,研發出一種能讓植物產生抗病機制的雙股RNA製劑,其作用原理作用原理類似人的「減毒疫苗」,只要將這種製劑噴灑在作物的葉片上,雙股RNA分子便能抑制病原菌的生長。

法國國家研究中心植物分子生物學家- Heinlein博士, 利用RNA干擾(RNA interference) 技術,將一段影響病原菌活性的雙股RNA序列,以人工合成方法純化出來並製成分子藥劑。

這段特殊的分子序列能抑制病原菌的活性,其作用的專一性非常高,在自然環境下的分解速度也快,是非常友善環境的防治資材。



然而雙股RNA分子藥劑分解速率快的優點,卻同時造成商品化量產的困難。因此,Heinlein博士與芬蘭赫爾辛基大學合成生物學的Poranen博士合作,利用嗜菌體微生物本身複製RNA的能力,讓嗜菌體「生產」雙股的RNA分子。

經過試驗後,研究團隊發現,噴灑嗜菌體藥劑的菸草植株的抗病性更佳。然而Poranen博士表示:RNA分子藥劑商業化最大的困難不在於技術,而是適法性的問題,畢竟目前全世界尚無相關的法規來管理這種新型態的植物保護製劑。新的發明技術儘管商業應用潛力高,但未來上市的時間卻仍充滿未知數。


參考資料:
1. 每日科學
2. Plant Biotechnology Journal



2018年8月8日 星期三

不只是保養品,植物精油變身消滅蔬菜害蟲的生物農藥!

不只是保養品,植物精油變身消滅蔬菜害蟲的生物農藥!

編譯 張瑞玶編輯 林韋佑

蘿蔔蚜蟲(Lipaphis pseudobrassicae)要當心了!美國農業研究局(Agricultural Research Service, ARS)與土耳其阿納多盧大學(Anadolu University)的研究學者們發現,許多由土耳其藥用植物所製成的植物精油,當加入生物殺蟲劑之中使用時,對蚜蟲害蟲具有致命的殺傷力。

當具有芳香的植物精油噴灑於植株外表時,這將有助於植物吸引昆蟲或使昆蟲敬而遠之,此外,經噴灑芳香植物精油的植株還具有抵禦高溫、寒冷或防禦細菌侵擾等功效。

植物精油大多是從風乾後的開花植物中萃取而製成,常用於製作藥品、農業化學藥品、化妝品以及食品工業中。由於植物精油中所含有的生物活性化合物,對昆蟲與蟎蟲具有潛在的毒性,然而對人類與野生動物是相對安全的物質,因此具有芳香類的植物精油,在近年來也已成為友善環境的生物農藥與殺蟲劑開發者的關注焦點。


美國密西西比州的兩個美國農業研究局(Agricultural Research Service, ARS):天然產物運用實驗室(Natural Products Utilization Laboratory)和小型水果研究站(Small Fruit Research Station)的生物農藥研究人員針對25種藥用植物,分別製成植物精油,再藉由噴灑植物精油於作物上,來評估植物精油對於蘿蔔蚜蟲的毒性影響。接受測試的作物為美國東南部常受到蘿蔔蚜蟲危害的作物,包含羽衣甘藍、芥菜、青花菜、高麗菜、蘿蔔、番茄與櫛瓜等蔬菜作物。






研究成果顯示,其中有17種植物所製成的植物精油,比起美國常用來作為有機殺蟲劑所使用的薄荷精油與迷迭香精油,對蘿蔔蚜蟲具有更顯著的致命性。

此外,植物病理學家David Wedge、園藝學家James Spiers、昆蟲學家Blair Sampson、以及土耳其阿納多盧大學的化學家Nurhayat Tabanca等人也證實,使用許多野生植物所製成的植物精油,都可以比使用薄荷精油或迷迭香精油還低的濃度,成功達成100%的蚜蟲致死率。

研究人員還表示,繖形科幅花芹屬Bifora、香薄荷屬(Satureja)與鼠尾草屬(Salvia)的植物,是針對消滅蚜蟲重要且有效化合物的主要植物來源。其中,科學家們對於野生植物──幅花芹(Bifora radians)更是印象深刻。雖然幅花芹(Bifora radians)能夠產生的植物精油量最少,但對蚜蟲來說卻是毒性最高的。

植物精油消滅蘿蔔蚜蟲的初步研究之顯著成果,為生物農藥的發展,開闢了一條新的發展方向。植物病理學家Wedge也更進一步表示,未來的研究方向將著重於與土耳其地區的其他大學進行產學合作,並且企圖將此研究成果運用生物測定法應用於農業化學研究之中。


資料來源: 每日科學Jan 12, 2005   Turkish Plant Oils Are Lethal To Vegetable Pest

2018年8月2日 星期四

歐洲生物殺蟲劑的現況與發展

歐洲生物農藥的現況與發展

編譯 柴幗馨編輯 林韋佑

生物性農藥被認為是可以取代傳統化學合成殺蟲劑與殺菌劑的新興病蟲害管理資材,近十年來逐漸成為全球農業科學界熱門的研究領域之一。儘管許多科學文獻證實真菌與植物萃取物等具有殺蟲劑的應用價值,但田間試驗的效果往往不如理想,在不同作物栽培系統中的功效也還需要更多研究來支持,因此生物農藥的使用推廣仍有成長的空間。




歐洲的農藥登記行政手續相當繁雜,目前登記核准使用的生物性農藥數量只有60種,美國核准使用的項目卻已高達2000種,相較於美國、印度、巴西、中國等國家,歐洲的生物農藥市長並不大。

全球所有的生物農藥品項中,超過九成以上為蘇力菌,有趣的是生物性農藥的產值正在以每年成長10%的速率逐年向上提升。科學家預估在2040年至2050年之間,生物性農藥劑的產值將會趕上傳統的化學合成農藥。

生物性農藥依照來源可分成:礦物性、或來自動物性、植物性、與微生物性的天然萃取物,由於成分具有抑制害蟲的效果,對環境的危害較少,普遍被看好未來將能取代現行人工化學合成農藥。

除了蘇力菌之外,關於天然萃取物對蟲害管理的研究還有:蝶豆花萃取物防治斜紋夜盜蛾,絲狀真菌(SAY-Y-94-01)抑制炭疽病菌,哈氏木黴菌抑制鐮孢菌引起的根腐病,防治昆蟲的蘇力菌(Xd3),從乳酸菌LPT-111的發酵萃取能抑制葉角班病,以及葡萄枝幹萃取的生物鹼類化合物-的白藜蘆醇,對斜紋夜盜蟲與蚜蟲的防治應用等。




隨著農藥製劑技術的進步,相較於傳統農藥,來自天然萃取物的生物性農藥的專一性高,對環境的衝擊較小,且藥劑殘留在自然中的機率也低,更可以搭配作物病蟲害綜合管理(IPM),有效降低傳統殺蟲劑的使用量,這些優勢將有助於產業人士爭取鬆綁相關法規的機會。

參考資料:Agriculture Jan 2018, Current Status and Recent Developments in Biopesticide Use

2018年7月26日 星期四

作物永續發展協會專家表示:2018年,生物肥料正式進軍傳統肥料市場

作物永續發展協會專家表示:2018年,生物肥料正式進軍傳統肥料市場

編譯 柴幗馨編輯 林韋佑

全球農業生物科技推廣組織—作物永續發展協會(CropLife)於2018年5月點評「生物肥料(biofertilizers)」的商業潛力與未來的發展趨勢。

根據協會的專欄作家—Eric Sfiligoj所定義的「生物肥料」是:泛指能夠促進植物吸收營養元素與提高養分利用效率的微生物,也是生物刺激素(biostimulants)的一種。

舉凡叢枝菌根菌、固氮菌、或是植物根圈促進益生菌(plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)等,都是能幫助植物吸收大氣中的氮素,或是利用土壤中的磷肥,以及活化植物賀爾蒙訊號傳遞反應的植物益生菌。

過去農友對生物肥料的認識往往「不知其所以然」,甚至產生一些對生物肥料的刻板印象,例如「神奇液肥」或是「一罐神秘的藥粉」等。

就算知道生物肥料的好處,也還是會覺得不易使用與價格因素而退卻。然而隨著各大公司相關產品的推陳出新,越來越多的農友開始認知到「土壤微生物對作物產量的重要性」,乃至有機質肥對土讓益生菌的好處等,無形中增加農友願意購買生物肥料來改進土壤性質的意願。



美國生物肥料的市場正在快速成長中。根據美國市場的調查報告顯示在2025年以前,生物肥製劑的產值大約能增加1千億美元,其中光是生物肥料就佔了6成的產值。

有機農業與飼料作物的發展是推動生物肥料商機的另一股力量。舉美國中西部的飼料作物市場為例,近年來美國消費市場對「有機認證飼養的牛肉與牛奶」之需求增加,並帶動了「有機牧草」的需求,也讓越來越多農民使用生物肥料生產有機飼料作物。

生物肥料的商機固然潛力無窮,然相關的核准登記法案與管理規範也相對嚴格,為了搶佔市場先機,未來產業人士積極地請求政府鬆綁審查制度,想當然爾也是可以預期的狀況。


參考資料:CropLife:Biofertilizers 2018: Finally Making Inroads

2018年6月20日 星期三

科技新南向:南亞農業科研網站介紹

科技新南向:南亞農業科研網站介紹

編譯與整理 柴幗馨

為了活絡台灣在東南亞地區國家的關係, 2016年台灣政府提出了【新南向政策】,鼓勵國內企業、科研單位、與政府部門與南亞地區進行農業交流與簽署合作協議,藉以穩固台灣在國際的戰略地位與重要性。而網路資訊流動越趨發達,南亞各國早已互相建立各種農業研發策略與產業發展的交流平台。以下介紹兩個重要的南亞農業生技研究資訊平台:「亞太農業研究機構聯盟」與「南亞農業研究發展中心」提供關心南進政策的農業從業人員一些參考。

Asia-Pacific Association of Agricultural Research Institutions (APAARI)

 「亞太農業研究機構聯盟」是聯合國農糧署協助成立的研究單位,宗旨為協助亞洲泛太平洋地區國家農業與農食研究的創新發展。APPARI的四個發展任務:制訂前瞻研究、獎勵卓越優秀人才、鼓勵地方機構學習與成長、促進亞太地區科研合作。


研究目標則呼應聯合國的17項永續發展目標(Sustainable Development Goals , SDGs),期望在2030年以前,強化農食系統agri-food system (AFS) ,並落實亞洲太平洋地區的農業永續發展。其中農食系統包含:1. 農業與食物生產的自然環境永續利用,例如農業森林生態系、農業生物多樣性、生質能源發展與生物技術在糧食生齒的應用。 2. 農食生產的風險管理,分析氣候變遷對食物生產的衝擊、天災、病蟲害對農民生計的影響,並研擬證這制定的策略。3. 小型生產者的平權運動,協助小農的生產技術,例如收穫與採收後加工,提升小型生產者在產業的競爭力。4. 分析農業政策與法律規範對農食發展的影響。


東南亞地區農業高等教育與研究中心(SEARCA)
Southeast Asian Regional Center for Graduate Study and Research in Agriculture(SEARCA)

「東南亞地區農業高等教育與研究中心」,致力促進南亞地區的農村發展及永續農業。藉由整合各區域的高等教育資源,以科學教育與知識管理解決南亞區域的農業問題。其發展目標有三項,第一,加強農村經濟競爭力:強化小農與青農的農業經濟收入、以科技協助農業耕作、確保農民有足夠的食物與營養等。第二:建立自然資源管理系統,降低極端氣候對農業的衝擊。第三,組織南亞各國,建立區域性的貿易合作,協助政府單位互相交流與政策擬定方向。今年台灣與SEARCA簽署合作備忘錄,期望未來在全球氣候變遷、糧食安全、生物多樣性、水資源管理、有機農業推廣、休憩農業發展、生物資源保存、生物資訊應用等這些領域等研究能有更多合作的火花。