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生物农药应用:酵母菌是什么?生物农药酵母菌的作用与功效

字号+ 作者:chen 来源:农讯网:资讯 2019-01-10 11:07 我要评论( )

人类将酵母菌应用于食品发酵产业已有上千年历史,经由挑选与驯化的菌种,不仅可应用于生产啤酒、各式酒类,亦可发酵面包、馒头。此外,近年研究开发植物病害防治潜力正蓬勃发

人类将酵母菌应用于食品发酵产业已有上千年历史,经由挑选与驯化的菌种,不仅可应用于生产啤酒、各式酒类,亦可发酵面包、馒头。此外,近年研究开发植物病害防治潜力正蓬勃发展。

近年来食品安全、农业安全及环境安全受到重视,农业型态也逐渐由惯行农业转为安全、友善农业,期盼政府积极推行生物农药,朝向化学农药减量目标,其中利用微生物达到防治效果的生物农药成为重要研究方向。台湾的生物农药包括木霉菌、液化淀粉芽孢杆菌、枯草杆菌等已开发产品或正在登记品项,而酵母菌生物农药正值研究与开发阶段,期望能成为采收前后果实保护生力军,提升蔬果内销与外销品质。

酵母菌为真菌界一员,广泛地存在于自然环境,植物叶表、果实表面、土壤、海水,甚至腐木或腐烂水果都可见其踪迹,目前约​​有1,500种酵母菌已被科学家鉴定与记载。酵母菌对于养分需求简单,糖类为主要碳素源与能量来源,单糖、寡糖皆可被大部分酵母菌利用,因此只要有糖类存在之处,酵母菌即可生长。

酵母菌研究风起云涌,商品化应用于病害防治

国外许多研究报告指出,酵母菌可应用于采后病害防治,例如青霉菌属(Penicillium)引起柑桔青霉病、绿霉病,灰霉属(Botrytis)引起草莓灰霉病,链核盘菌属(Monilinia)引起桃褐腐病,炭疽刺盘孢菌属(Colletotrichum)引起芒果炭疽病等。已开发与研究中的酵母菌种类繁多,例如隐球酵母菌(Cryptococcus sp.)、假丝酵母菌(Candida sp.)、梅奇酵母菌(Metschnikowia sp.)、毕赤酵母菌(Pichia sp. )等,其中已有多种酵母菌菌种成功开发为产品。

 

草莓灰霉病于罹病果实初期造成褐色病斑,后期果实覆盖灰褐色粉末状分生孢子。草莓生长后期,于果实定期施用酵母菌至采收前,使酵母菌缠据于果实表面,与病原菌空间与营养竞争形成优势,预期可减少损耗并延长储架寿命。

 

第一代酵母菌生物农药Aspire酵母菌菌种是橄榄假丝酵母菌(Candida oleophila),为美国生物农药公司艾科净(Ecogen Inc.)自番茄果实表面分离,应用于防治柑桔与梨、苹果等仁果类水果灰霉病、青霉病,虽此产品目前不存在于市面,却引起许多研究人员开发假丝酵母菌病害防治潜力。其中,橄榄假丝酵母菌的不同菌株发展酵母菌生物农药Nexy,为比利时开发并成功登记于欧洲联盟,应用于苹果、梨、香蕉储藏期间,防治由灰霉病菌、青霉病菌或炭疽病菌所引起之病害。

 

登记于西班牙的酵母菌生物农药Candifruit,酵母菌菌种为清酒假丝酵母菌(Candida sake),应用于仁果类果实采后病害防治。目前最成功的酵母菌生物农药Shemer,由以色列农业部农业研究组织(ARO)教授萨米尔․德罗比(Samir Droby)发现并分离的核果梅奇酵母菌菌株(Metschnikowia fructicola),于以色列已核准在采收前与采收后施用于各类蔬果,包含酪梨、柑桔、葡萄、草莓等作物,用以防治灰霉病、青霉病等真菌性病害,此产品目前由德国制药公司拜耳(Bayer AG)取得,并授权给荷兰公司科伯特生物系统(Koppert Biological Systems)。

 

防治效果受环境与菌株特性影响

 

成功开发酵母菌生物农药,首要关键步骤是分离、筛选出稳定且有效菌株。酵母菌分离、筛选过程,影响其商品化效率与成功性。国外研究酵母菌分离,多采用查尔斯․威尔逊(Charles L. Wilson)等人〈微生物拮抗剂防治蔬果采后病害之选择策略〉(A selection strategy for microbial antagonist to control postharvest diseases of fruits and vegetables)的开发方式,由作物表面伤口分离酵母菌,此方法可快速筛选具防治采后病害潜力之酵母菌,并具有于伤口快速缠据、利用伤口生成物质作为营养来源的特性,亦可广泛由植物体表面、土壤、海水中分离,例如酵母菌生物农药Aspire、Nexy,其酵母菌即分别分离自番茄、苹果果实表面。

 

为鉴别酵母菌种类,利用显微镜观察酵母菌形态多呈卵圆形或椭圆形,细胞较一般细菌大。

具防治效果的酵母菌,常被利用于田间或水果包装场,面临高温干旱的田间环境或水果低温储藏,各种环境因子皆会影响其活性与防治效果,例如高低温度、氧化压力、酸碱值、干湿度。因此,亦有研究极端环境中分离具高逆境耐受性酵母菌,例如分离自海水的红冬孢酵母菌(Rhodosporidium paludigenum),较一般果实表面所分离的酵母菌具有较高渗透压耐受性,当暴露于逆境中有较高适应性,可用于防治梨青霉病、枣类潜伏感染互生链格孢菌(Alternaria alternata)。

 

此外,具开发潜力的酵母菌还须具备基因稳定性、低浓度即具抑制果实病害发生效果、可防治多种病原菌、易培养、对环境友善、对植物不具病原性、对人体不具危害等特性。酵母菌生物农药商品化过程中,将面临酵母菌量产发酵、开发农药配方等考验,其中量产发酵过程须考量发酵成本、发酵时间不可过长及提升菌量稳定性,开发农药配方则须考量储架寿命、保存方式、酵母菌活性维持及简易施用方法,更可提高市场接受度。

 

六大拮抗机制保护作物伤口

 

酵母菌成功应用于防治病害,乃酵母菌、病原菌及寄主植物之间存在交互作用,在酵母菌作用下,可驱动交互作用达到防治病原菌效果,酵母菌主要作用机制如列。其一为营养与空间竞争被视为酵母菌在生物防治上的第一优势,其与病原菌间透过营养竞争,例如糖类、氮、氧等,酵母菌比病原菌更能充分利用这些生长元素,且由于生长快速,也更优先附着并保护作物表面伤口。

 

其二为产生抑菌物质,酵母菌可产生具扩散性或挥发性的抗菌化合物,例如毒质、抗生代谢物。黑酵母菌(Aureobasidium pullulans)可产生抗菌物质金担子素A(Aureobasidin A),其影响病原菌生合成与代谢功能,此类酵母菌亦被指出可产生具拮抗病原菌的挥发性有机化合物。

 

番石榴果实常出现褐色病斑,果肉可能软化、呈水浸状,或表皮褐化,可尝试运用酵母菌防治。

 

其三为寄生与产生水解酵素,酵母菌寄生病原菌的现象,可造成病原真菌构造直接被破坏或分解,其也能产生葡聚糖酶、几丁质酶、蛋白酶等分解酵素,对病原真菌有直接或间接破坏细胞壁的效果,例如季也蒙毕赤酵母菌(Pichia guilliermondii)即可产生葡聚糖酶破坏灰霉病菌菌丝。

 

其四为嵌铁能力,真菌生长与病原性表现都需要铁元素,某些酵母菌即具有嵌铁能力,与病原菌竞争铁元素,因而产生拮抗病原菌的效果。梅奇酵母菌即具有此能力,可抑制灰霉病菌、青霉病菌菌丝生长与孢子发芽的效果。其五为形成生物膜,酵母菌可在果实表面或伤口内部黏附、缠据及繁殖,并且在基质上产生蛋白质、多糖体,形成生物膜以有效拮抗病原真菌。其六为诱导植物产生抗病反应,病原菌感染植物前,其也能与植物组织或伤口产生交互作用,因而诱发植物系统性抗病反应,抑制病原菌感染植物体。

 

以营养竞争为主要抗病原菌机制

 

目前各种酵母菌防治病原菌之作用机制仍未完全透彻,进一步厘清将有助于病害防治策略的发展。已商品化的酵母菌生物农药,其登记施用对象、作用机制及使用方法,大多针对采后病害进行防治,并以营养与空间竞争为最主要作用机制。

 

以酵母菌生物农药Nexy为例,其防治对象为苹果与梨的灰霉病、青霉病、香蕉炭疽病,于采收后且储藏前施用,浸渍30秒至2分钟或持续淋洗至少30秒;主要拮抗病原菌机制为其与病原菌的营养竞争,并优先缠据果实表面,更具产生葡聚糖酶分解病原真菌细胞壁的能力。

 

番石榴疮痂病近乎全年皆可能发生,虽于小果期即进行套袋,病原菌仍可能经过枝条进入袋内造成病害,除了维持良好田间卫生外,于套袋前施用酵母菌,在果实上营造良好微生物相,以期降低病害发生率。

 

酵母菌生物农药Shemer则为水分散性粒剂剂型,登记防治对象广泛,包括柑桔青霉病、草莓灰霉病、葡萄灰霉病、甘薯软腐病等,可于采收前或采收后喷洒或浸渍,主要作用机制为营养竞争,真空状态下,Shemer储架寿命可长达1年。而以较特别的类酵母菌(Aureobasidium pullulans)菌种开发酵母菌生物农药Boniprotect,主要作用机制为营养竞争,同样为水分散性粒剂剂型,于德国登记防治苹果与梨的青霉病、灰霉病,主要于果实采收前2~3周开始施用,最多每隔7天施用1次、连续3次,采收期间亦可施用。亦可与少数杀菌剂、杀虫剂混合施用,于25℃下可存放10个月,于8℃下可存放18个月;同类异名产品Botector于澳洲登记防治葡萄、草莓、番茄灰霉病。

 

生长增殖快且环境适应性广

酵母菌生物农药开发与商品化在国外已有多项成功案例,然而综观其商品化过程,仍面临许多阻碍。目前多为小型公司投入开发,必须克服产品利润低、资金缺乏、难以建立市场的困境,加上生物农药商品化前须向主管机关登记,如美国国家环境保护局(EPA),过程须耗费许多时间,也成为商品化阻碍。而于消费市场所面临的挑战,则为生物农药防治效果不如化学农药快速有效,酵母菌多受限于采后病害防治为主,导致酵母菌生物农药推展受限。

 

酵母菌应用于病害防治,仍具有不可或缺的地位,不仅可适应蔬果微观环境,包括高糖浓度、高渗透压、低酸碱值、高湿度等特性,且生长增殖快速、营养需求简单,于蔬果表面可快速建立族群,为营养与空间竞争下的赢家,进而达到保护植物体的效果,也因其环境适应性广,亦成为生物农药开发优势。

 

葡萄晚腐病于果实潜伏感染,至果实转色期显现病征,产生黑色斑点,至中期病斑处凹陷,并产生橘红色分生孢子。于生长中期至套袋前定期施用酵母菌,酵母菌缠据果实表面达到保护效果,以期减少炭疽病菌感染比例。

 

台湾蔬果内销与外销过程中,常因采收前潜伏感染病原菌,或采收后蔬果表面伤口引起病害,造成农民损失。若可将酵母菌结合采前管理与采后处理技术,于蔬果表面形成微生物保护层,将可大幅降低病害所造成的损耗。

 

农委会台中区农业改良场已效力于酵母菌筛选与防治效果测试,从叶表、果实表面伤口分离酵母菌,经纯化培养的酵母菌于培养基进行拮抗试验,将病原菌放置于培养基中央,并于病原菌两端各画一条酵母菌,观察酵母菌抑制病原菌菌落生长情形,测试其对番石榴疮痂病、炭疽病、葡萄晚腐病菌等多种造成果实腐败病原菌的抑制效果,挑选具有优异拮抗效果之酵母菌,进行后续于果实防治试验,目前已初步建立拮抗酵母菌筛选平台。未来将针对番石榴疮痂病、炭疽病、葡萄晚腐病、草莓灰霉病等作为防治目标,以期将酵母菌生物农药导入田间,应用于采前管理与采后处理技术。

 

 

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