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微生物科技新星—植物內生菌

2019/07/15 @臺灣

微生物科技新星—植物內生菌

  面對氣候變遷與人口增長,糧食安全已成為全球重要議題。依據聯合國2018年「世界糧食安全和營養狀況」報告指出,因氣候異常對農業生產造成負面影響,全球飢餓狀況在過去3年不斷惡化,已回到10年前的水準。
  再加上耕地有限、土壤因過度施作日益劣化下,如何透過生物科技讓農業生產技術更升級,不僅牽涉到農業從業人口的荷包,對許多國家來說,更上升至生存危機層級。而其中,對微生物的研究與應用,則被視為發展永續農業,得以兼顧環境友善與糧食安全的關鍵技術。

香蕉癌症黃葉病 微生物能有效降低罹病率

  隨著氣候變遷加劇,寒流、風災及短時強降雨對農民生產造成很大的威脅。「如何運用與微生物的共生關係,幫助植物生長與抵抗環境逆境,已成為近年的主流。」中興大學生命科學院副院長黃介辰指出,近年來學界已開始運用微生物與植物的共生關係創造新系統,期能抵抗病原菌(生物性逆境)或環境逆境(乾旱、鹽害),以降低栽培風險或穩定產量,同時也為整體作物栽培環境帶來正面影響。以往的共生相關研究比較集中在根圈菌,而目前則逐漸轉向生活於植物體內的內生菌。
  黃介辰說,目前學界已發現許多可幫助植物生長與抵抗逆境的植物內生性微生物,這類微生物有些亦具有可分解農藥、油污、重金屬,甚至是戴奧辛。如果能讓此類內生菌,接種到植物,或許除能改善植物生長外亦能同時處理土壤汙染、農藥殘留、毒物累積等問題,不僅一舉數得,也比現有其他改善土壤的方案來得更經濟實惠。
  為此,黃介辰自2012年起,即透過植物防疫科技計畫,由中興大學與香蕉研究所共組團隊進行「植物內共生菌Burkholderia cenocepacia strain 869T2應用於健康蕉苗系統使其對香蕉黃葉病具保護效果」研究,並於2016年在學界科專計畫補助下,開啟「新世代健康種苗的開發:研發內生型植物保護劑以防治尖鐮胞菌萎凋病」研究。

微生物科技新星—植物內生菌-1

  這一系列的研究,發現將微生物接種於植株後,誘發了植物的免疫系統,除讓感病性的北蕉之黃葉病罹病率降低外,更可讓香蕉從平均230公分長高至260公分,且提前一個月收成。透過此番研究成果設立衍生企業,期能透過接種於香蕉的組織培養苗,而生產出較具抗病性之種苗,協助蕉農重拾「香蕉王國」榮光。黃介辰另說明,能防治尖鐮胞菌萎凋病的植物內生性微生物族群,除了可對抗香蕉的黃葉病,亦具改善草莓、金線蓮的萎凋病之防治潛力,極具廣泛應用的可行性。

從濕地找出抗鹽、耐旱菌種 防止乾旱造成農損

  對比於過去以化學藥劑的防治方法,植物內生菌的抗病原理,就像是鼓勵人們多攝取益生菌,從而達到改善腸道環境的概念一樣,雖然不適用於急症,需要較久的時間才能看到效果,卻能降低對身體(土壤)的負擔,並從根本來加強免疫系統的健全。
  「事實上,植物內生菌除了有抗病的菌種,在不同環境下生長的植物,自然會具備各種不同的功用。」黃介辰說,在考量臺灣土地面積有限,農業生產方式越來越朝集約式耕作,甚至因過度施肥導致土壤鹽鹼化的情況後,研究團隊開始尋找抗鹽害的植物內生菌。
  在2017年農委會主管科技計畫的補助下,研究團隊開始從高美濕地去尋找抗鹽害的內生菌種,並在前導實驗中,從鹽澤植物「雲林莞草」中篩出內生菌 Bacillus sp. BP01-R1與Pseudomonas sp . BP02-R8,發現能有效提升阿拉伯芥抵抗鹽分逆境的能力。
  此計畫以「氣候變遷下的新世代植物保護劑:研發以內共生菌拮抗環境逆境之植物保護劑」為題,首先針對溫室與田間的十字花科等高經濟作物,開發微生物肥料,也將實驗於洋香瓜、水稻及小白菜等作物,觀察接種內生菌於鹽害土壤環境的生長表現。
  從抗病,轉戰抗鹽菌種,除了為長遠解決土壤鹽鹼化問題,更是著眼於農民長期以來面臨的氣候乾旱問題。
  會缺水,主要因地形與水土保持不佳,讓臺灣長期處在全球缺水國家行列中,2018年即為全球排名第19的缺水國,在溫室效應催化下,水災與乾旱問題更成為「看天吃飯」的農民心中的痛。
「在植物的內在機轉中,抗鹽與耐旱其實是一體的兩面。」黃介辰以大宗外銷農產品的蘭花產業為例,蘭花苗在外銷至歐美的船運中,動輒要花兩、三個月,時常會造成耗損。而抗旱型的內生菌種,就能為蘭花產業帶來很大的產業加值作用。

生物多樣性 打造農業科技優勢

  黃介辰說,微生物生態工程的奧妙,就在於它可為各種植物的需求,量身打造專屬的共生系統,所以除了抗病、抗鹽與耐旱,植物內生菌其實還有很大的研究開發空間,尤其臺灣位處亞熱帶與熱帶,生物的多樣性提供了先天的優勢。
  「臺灣的農業科技在國際上其實有很高地位,相關學術論文被引用的比率也非常高,只可惜很少將此一優勢落實到產業裡。」黃介辰以只靠一株菌,就創造龐大商機的養樂多為例說明,再前瞻的研究、再縝密的專利佈局,如果沒有大格局的思考、沒有足夠資金以品牌築高競爭門檻,還是很難為臺灣產業帶來實質獲利。
  除了植物內生菌外,研究主題包含微生物產氫—生質能源系統建構、利用合成生物學建構化學自營大腸桿菌以直接用煙道氣的二氧化碳生產有用物質等研究的黃介辰,談及所有研究的初衷,莫過於透過植物與微生物的力量建構碳循環系統,以降低環境中二氧化碳的負擔。
  「最終目的是取代石化。」黃介辰語重心長說道。

微生物科技新星—植物內生菌-2

 

【相關資訊】
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