有益微生物加值技術應用於作物耐逆性之提升 - 農業知識入口網

摘 要

　　近年全球暖化及氣候變遷，導致農損問題加劇，植物逆境主要包括乾旱、寒冷、高溫、澇害、鹽鹼、病蟲害和環境污染等。逆境可以影響植物水分、光合作用、呼吸、代謝等過程，並導致病蟲害大發生，造成農產嚴重損失。臺中區農業改良場長期投入微生物功能性應用與產業需求研發，落實研發成果商品化及產業化，近年篩選多種有益功能性微生物菌株，依據不同栽培施用目的，開發多元微生物製劑產品，包括生物性堆肥、生物性液肥、羽毛分解菌、微生物肥料及微生物農藥等。為加值相關研發製劑產品價值與市場競爭力，透過微生物研究實際導入作物耐候性提升之應用，除篩選具潛力之菌株、開發適當商品外，並建立微生物提升作物逆境能力之驗證流程，提供候選菌株及產品之效能驗證，在菌株原有之功能上(如防治病蟲害/微生物肥料)，再賦予產品抗逆境能力的功能，藉由加值技術提升產品在市場的競爭力。耐候能力篩選平臺以生物刺激素檢測、耐逆境調控基因篩選(高溫、乾旱、淹水)、生物膜檢測及表型體分析耐寒能力四種為主，本場菌株進入平臺篩選有16株。其中在生物刺激素檢測上鏈黴菌 TCSF7-6 菌株具有多種CDPs (屬環二肽合成酶)。耐逆境調控基因篩選在耐高溫上有：鏈黴菌TCSS01及液化澱粉芽孢桿菌Tcb43，耐乾旱：液化澱粉芽孢桿菌Tcba05，耐淹水：TCSF7-6 及木黴菌TCT168。生物膜檢測在白菜根系生物膜：地衣芽孢桿菌 TCLigB/ Tcba05 (改良配方)/ TCSF7-6 (改良配方)，耐乾旱：Tcba05 (改良配方)/ TCSF7-6 (改良配方)，表型體分析平臺耐寒能力：木黴菌TCT-P003 及TCLigB。相關菌株進行田間確效試驗，應用在夏季設施葉菜類栽培上，可克服高溫與霪雨等逆境因子，提升單位面積產量25~30%。此外，耐逆境平臺篩選上，木黴菌系列菌株在耐淹水及提升作物耐寒能力上的效果顯著，應用在夏季花椰菜、絲瓜、苦瓜栽培上，可克服夏季高溫、豪雨淹水及土壤鹽基累積等環境逆境，讓作物開花正常。而在小番茄栽培上，冬天可抵抗低溫逆境，夏季可抗設施內高溫逆境，維持作物正常生長。相關技術除增加現有產品價值與應用面外，對提升現有品種在逆境下的調適能力並能穩定生產，助益極大，未來大面積推廣將可減少農業災損及農民損失。

關鍵字：微生物製劑、有益微生物、逆境、木黴菌、芽孢桿菌

前　言

　　近年來，由於全球暖化及氣候變遷，使得降雨的時間、空間的分布嚴重不均，乾旱地區增加或長時間缺水、沿海地區暴雨季節淹水，造成土壤鹽化問題也日趨嚴重，使農作物與動物生產的不穩定性增加。在「臺灣版氣候變遷報告」中特別預警未來臺灣的夏季恐拉長、冬天將消失，我國將因氣候變遷受全方面衝擊，農業將首當其衝，農損問題勢必加劇。據農業部統計，近15年因天災造成農業損失平均每年124億元（其中2016年災損更高達383.4億元）。現階段園藝作物克服環境逆境之方式多以優勢品種或利用設施等對策提供作物栽培保護，然而育成一適應性佳之優勢品種需耗時5-10年的時間，無法有效減緩極端氣候所帶來之損害。而設施的應用並非每一農戶皆有能力負擔，且許多作物亦難以藉由設施達到避害之效果，且後續需擔心氣溫上升後高溫障礙及設施內病蟲害等問題。對植物生存與生長不利的不良環境稱逆境(stress)，主要包括乾旱、寒冷、高溫、澇害、鹽鹼、病蟲害和環境污染等。逆境是各種環境因素對植物生長和生存不利的總稱，逆境可以影響植物水分、光合作用、呼吸、代謝等過程，並導致病蟲害大發生，造成農產嚴重損失。為此，如何減輕農作物受這些環境逆境之影響，使農作物生產供貨能維持穩定，避免產生供需失調、物價上漲之嚴重民生與社會問題，為目前研究之當務之急，其中以提升作物抗逆境能力的微生物製劑及其代謝產物最具發展潛力。

　　微生物製劑傳統使用的功能包含有幾大項：(1)促進植物生長，如菌根菌、固氮菌及根圈有益微生物菌群等；(2)病蟲害生物防治，如蘇力菌、木黴菌及枯草桿菌等；(3)改善作物生長環境，如溶磷菌、加速腐植酸合成及提高土壤團粒結構之特定微生物。另外尚有產生植物賀爾蒙、誘發植物抗病反應、減低土壤鹽害、誘使其它有益微生物產生等功能的微生物群。不同微生物經研究投入已開發成微生物肥料與生物農藥等產品，然因近年來極端氣候發生頻繁，已嚴重影響作物生長，應用微生物以提升作物抗逆境的能力的產品開發也逐漸被重視及研究，抗逆境微生物與植生刺激素成為微生物製劑市場的新角色！目前已知微生物可應用於減緩作物根系生長逆境，作用於根圈功能包含生產植物激素如IAA、促進作物對養分吸收如磷 (溶磷)、鉀 (溶鉀)、鐵(載鐵物質)，生成ACC 脱氨酶以減少植物逆境下生成之乙烯量，減緩乙烯抑制植物根系生長等作用。

　　近年來生物刺激素(Bio-stimulants)在提升作物抗逆境能力上的發展與產品開發上蓬勃發展，生物刺激素是：一種包含某些成分或微生物物質，可以提高作物的生長與發育，施用於植物或根圈附近，可以促進植物的生理代謝、增強和提升營養物質的吸收與利用率、改善植物抵抗逆境的能力及提高產量與品質(歐洲生物刺激素產業協會(EuropeanBio-stimulants Industry Council, EBIC) 2012年定義)，生物刺激素依照有效成分可區分成腐植質、有機酸、海藻、多糖類、胺基酸、胜肽類、礦物質肥料、維他命、微生物(活菌)及植物/微生物的提取物(植物萃取無機物/幾丁質/蒸散劑/微生物成分)，依定義而言包括微生物及其代謝產物，具可增加作物產量、品質、與耐候能力。此外，生物刺激素的種類中近年來逐漸重視可進入植物體內與植物建立互利共生關係而不具病原性的植物內共生菌，因其具有高度物種多樣性且普遍存在於各種植物之中，通常單一植物個體內之內共生菌種類繁多，可囊括數個屬。先前研究報告已指出內共生細菌對宿主適應環境之貢獻，如：內共生菌(Solanum sp.) 具有抗細菌、抗真菌的能力；有些內共生菌則會分泌植物激素如：吲哚乙酸、吉貝素，可促進宿主植物生長；有些則分泌(ACCD)可控制植物乙烯分泌量而促進植物生長。

　　市面上目前已有多項微生物製劑產品，宣稱具有提升作物耐逆境之能力，然利用微生物製劑進行根部澆灌後，其使用成效往往受限於栽培介質中之有效菌數量。除此之外，不同植物、植物生長的環境與其相關的微生物和大型生物影響下，也可能導致微生物應用之效果無法達到預期，亦或無法了解施用後其微生物之適存性及對自然環境生態之影響。微生物研究實際導入作物耐候性提升之應用，目前除田間測試外，缺乏適當的學理基礎佐證與標準化的驗證流程。本報告將介紹本場近年來在提升作物耐逆境能力的菌株篩選，結合中興大學與農科院智慧化篩選平臺與驗證能量，探究有益微生物對環境逆境如淹水、低溫、高溫及乾旱等逆境調適的關鍵因子，並建立智慧化篩選平臺與田間確效驗證場域，加速開發增加作物對環境逆境緩解與調適能力的加值型微生物製劑，在新的抗逆境作物品種選育出來之前，運用所開發的微生物製劑能提升現有品種在逆境下的調適能力並能穩定生產，減少農業災損及農民之損失。

臺中區農業改良場特刊第153號