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土壤益生菌

台灣農業現況及問題分析
由於實施小三通及加入WTO,使傳統產業面臨了極大的衝擊,如何調整傳統產業結構,提昇競爭力,已成為台灣重要施政之一環,在台灣邁向全球化的未來,台灣的農業發展之規劃與革新是刻不容緩的事,由農試所及農會等推廣單位辦理蔬果及作物品種改良研究繁殖推廣、改善農業生產環境、開發地方特色農特產品與加工利用、集團栽培共同經營、推動農業機械化、輔導農民生產安全衛生清潔蔬菜、協助農民轉型經營休閒農場、加強農業推廣教育健全農產品產銷體系,及營造農村新風貌等,並以輔導農民朝向有機農業發展為目標) ,本中心研發目標即在利用生物資材透過土壤微生物的多樣性回復,以低農藥低肥料施作的精緻農業以達到提高農作物的健康及營養的目的,藉此提升農業的產值。

土壤微生物與作物的關係
農業是現今七十億人口賴以維生的重要產業及依靠,作物能正常生長除了必須的陽光、空氣、水之外,土壤中的微生物相也扮演了相當重要的角色,植物的根系周圍的土壤稱為根際 (rhizosphere),一般認為是根系邊緣直徑 4 cm 的範圍,由於根際直接受到植物根系所分泌化合物的影響,使得該處聚集了許多賴以為生的微生物,而形成特殊的微生物相並改變其化學性質。這些根際微生物與植物間的交互作用可以增進植物生長的效率與健康。而植物也將光合作用所固定下來的含碳化合物釋放到根際,作為這些微生物的營養來源,形成一種互利共生的群聚結構, 舉例來說,有些微生物具備生物防治的特性,它們可以減少根系致病菌的族群量或代謝效率,進而達到維繫根系健康的效應;另一群微生物具備促進植物生長的效能,可以產生外源性的植物荷爾蒙或其他有益物質,或是進行固氮作用讓植物可以直接利用大氣中的氮氣。

 土壤微生物簡介
這些能促進植物生長的細菌被稱為 PGPR (plant growth-promoting rhizobacteria),而真菌則是 PGPF (plant growth-promoting fungi); PGPR 並非是一個彼此間親緣相近的細菌類群,而是具備高度異質性植物的根際有益菌群聚。被稱為 PGPR 的格蘭氏陽性菌包括厚壁菌門 (Firmicutes)與放線菌目 (Actinomycetales),例如厚壁菌門的芽胞桿菌綱 (Bacilli);而格蘭氏陰性菌中主要為變形菌門 (Proteobacteria),包括屬於 α-變形菌的根瘤菌科 (Rhizobiaceae)、紅螺菌科 (Rhodospirillaceae)、醋酸菌科 (Acetobacteraceae)、屬於 β-變形菌的伯克氏菌屬 (Burkholderia)、屬於 γ-變形菌的腸桿菌科 (Enterobacteriaceae) 與假單胞菌科 (Pseudomonaceae)。在這些屬於 PGPR 的細菌類群當中,被廣為應用在農業中的包含芽胞桿菌綱中的枯草桿菌 (Bacillus spp.)、放線菌目的鏈黴菌 (Streptomyces spp.,俗稱放線菌)、以及具備光自營性的 alpha-變形菌綱複合群 (俗稱光合成菌,如紅螺菌科)。以下將針對這三種類型的土壤有益菌進一步說明。

枯草桿菌
枯草桿菌屬中最具代表性的種類是 Bacillus subtilis,因其由乾枯的稻草分離出來而得名。B. subtilis 是一種好氣性的格蘭氏陽性菌,其基因體早在 1997 年就已經發表,其重要性可見一斑。枯草桿菌的施用主要可分為葉面噴灑和土壤施用。先前研究指出,將枯草桿菌噴灑在植物葉片上,可以減少病源菌 Pseudomonas syringae 從葉部氣孔侵入植物體內的效率;將枯草桿菌混入土壤中可預防土壤中病源菌的感染,例如在香蕉和蕃茄中施用枯草桿菌已證實對於土壤中致病真菌具有顯著的成效。除了抑病的效力之外,枯草桿菌也能促進植物根部的生長發育,如 2011年學者 發現含有數種 Bacillus spp. 的複合菌能提升奇異果阡插苗的開根效率,而在辣椒的研究中也發現枯草桿菌對於根部生長的促進比起地上部更為顯著。綜合國內外的研究,目前被應用於農業上的枯草桿菌除了 B. subtilis 之外,還包括 B. mycoidesB. cerceusB. megateriumB. simplexB. lichenformis 等,被施用的植物物種也十分廣泛。

放線菌
放線菌是土壤微生物群落中的重要細菌類群之一,會產生菌絲狀的構造所以早期被誤認為是真菌的一群。放線菌可以分解土壤中的有機物質,將植物落葉或動物屍體分解成小分子化合物以供其他生物利用。在可以促進植物生長的放線菌當中, Frankia 屬可以和殼斗目 (Fagales)、葫蘆目 (Cucurbitales)、薔薇目 (Rosales) 的植物共生形成 actinorhizae,進行固氮作用進而促進這類型植物的生長;鏈黴菌屬具有高度對抗土壤微生物的活性,現今一半的天然抗生素都萃取自鏈黴菌屬的成員。除了對抗細菌或真菌的病源之外,鏈黴菌在農業應用上更著重於線蟲防治。鏈黴菌所分泌的幾丁質酵素 (chitinase) 可以分解線蟲的卵殼,造成其幼體提早孵化而死亡,在植物應用上,鏈黴菌也被證實可以抑制危害苜蓿根部的線蟲。坊間最為著名的放線菌產品俗稱蔡 18 菌,也是鏈黴菌的一種,其學名為 Streptomyces saraceticus。該菌的主要功效一般認為可以抑制線蟲與土壤害菌並幫助植物植系的發展,另外尚有能改良土壤 pH 值的說法 (http://wenku.baidu.com/view/7ccfd459312b3169a451a425.html)。但蔡 18 菌的開發者蔡東纂教授所指導研究生楊逸至之碩士論文 (2011) 指出,S. saraceticus SS31 菌株雖然有抑制線蟲的效果,但是在植物生長促進和土壤 pH 值的並無顯著影響,可見土壤有益菌的應用成效仍需要標準的評估流程,農民間口耳相傳的功效仍需透過科學方法進一步證實。

光合成菌
這一類細菌的名稱來自於它們可進行光合磷酯化作用 (photophosphorylation) 合成 ATP 作為能量來源。不同於藍綠菌、藻類、及陸生植物所共有的光合作用系統,這類細菌不藉由水提供電子進行還原作用,不釋出水被氧化後生成的氧氣,因此這類型的反應被稱為無氧光合作用 (anoxygenic photosynthesis)。光合成菌所進行的無氧光合作用可依其電子提供者分成兩型,一型利用硫化氫,因此只能生長於厭氧且具光照的環境下,這類細菌體內會有硫存在而被稱為含硫菌 (sulfur bacteria);而另一型則利用其他有機物質或是進行光合作用,在含氧或缺氧環境下均可存活,此類細菌體內不含硫因此稱為不含硫菌 (non-sulfur bacteria)。光合成菌也可依其體內所含的菌體色素 (bacteriophyll) 區分成紫色與綠色兩型,加上其光合作用的形式共可分為四大類群:紫色含硫菌 (purple sulfur bacteria, Thiorhodaceae)、綠色含硫菌 (green sulfur bacteria,如 Chlorobiaceae)、紫色不含硫菌 (Purple non-sulfur bacteria,如 Rhodospirillaceae) 以及綠色不含硫菌 (Green non-sulfur bacteria,即 Chloroflexi)
這些光合成菌中,在農業上應用最為廣泛的是紫色不含硫菌,例如其中的 Rhodopseudomonas spp. 應用在稻米上可以增加穀物的收成、促進蕃茄的生長與其果實的收成、改善洋菇 (Agaricus bisporus)的產量及其蛋白質含量。部份的紫色不含硫菌能合成植物荷爾蒙以促進植物生長,如 Rhodobactor sphaeroides 可以在光照環境下合成生長素 (auxin);此外也有部份的紫色不含硫菌能降解土壤中的有機物質,提高植物可以利用的磷含量,如 Rhodopseudomonas palustris 除了改善植物生長之外,光合成菌也常應用在廢水中硫化氫及含氮廢物之再利用,如先前研究利用Rhodobacter sphaeroides 將酒廠的廢水轉換為可利用的氫氣,Rhodopseudomonas Rhodobacter 屬的光合菌也可將有機酸轉化為氫氣,而 Rubrivivax gelatinosus 與前述之各種紫色不含硫菌也被證實能降低工業排放水中的生化需氧量 (BOD) 與化學需氧量 (COD)

土壤微生物萃取與保存
土壤微生物是土壤生態的重要組成,在有機物分解、養份循環、氮素固定、土壤構造形成、土壤肥力維持以及病蟲害防治扮演著重要的角色,土壤微生物多樣性更是健康土壤的重要指標,在從事土壤微生物研究時,多數從土壤採集開始,然後進行微生物分離、純化到保存,一方面直接抽取土壤微生物DNA來研究微生物種類,有助於了解不同的土壤中菌種的組成。另一方面,利用不同的培養基,以選擇性培養基分離、純化與培養土壤中的細菌與真菌,抽取其染色體DNA,進行核酸序列定序,鑑定細菌與真菌的菌種名稱,本中心研發即透過不同的土壤培養出上列有利於植物生長的土壤微生物,以達到提高農作物的健康及營養的目的,藉此提升農業的產值。

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最後更新日期   
2017-04-27