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蒸氣消毒在植物病害防治上之應用病原微生物、寄主植物與適宜環境是促成植物病害發生的鐵三角，有病原沒有寄主或有寄主及適宜發病的環境但缺乏病原微生物，病害均不易發生，故打破此三角關係即可達到病害防治的目的。台灣地處亞熱帶，高溫多濕的氣候條件適合多種作物生長，同樣的亦是病害發生的最適環境，對於這種農業環境，病害防治只有由加強寄主植物的抵抗性及降低病原微生物的密度著手。目前最普遍被農友所採用的藥劑防治即是降低病原微生物密度的方法之一，藥劑防治雖可減輕多種病害的危害程度，但對土壤傳播性病害不但不易收到理想的防治效果，且有環境污染之慮。土壤傳播性病害的防治策略土壤傳播性病害的防治較常被採用的有淹水、輪作、土壤燻蒸、土壤添加處理、抗病育種、太陽能消毒、蒸氣消毒及綜合防治等。土壤燻蒸最常用的是溴化甲烷，此化學物質可將土壤中有益及有害微生物同時消滅殆盡，並破壞土壤物理及化學結構，施用不當會直接毒害人體，荷蘭於1990年1月1日 起已全面禁用，其他各國亦跟進。淹水、輪作及土壤添加處理等耕作防治法因地制宜，而抗病育種是最積極地策略，但費時又費力。太陽能與蒸氣消毒則有異曲同工之效，利用高溫使生物細胞內的蛋白質凝固及酵素不活化，達到殺死生物之目的，可同時控制病害、地下害蟲、雜草問題。但太陽能消毒需看老天的臉色，且需要較長的處理時間，而蒸氣消毒則較不受環境的影響，處理時間上非常短。用於固定設施栽培的高經濟作物與栽培介質的回收再利用是相當具有前途的。蒸氣消毒對土壤生物性及化學性之影響土壤蒸氣消毒優點在於不會有農藥殘留及環境污染的問題，待土壤溫度降低後就可以進行種植，可爭取時效。土壤經60 -80℃蒸氣消毒後，不會造成生物相真空，將有害的植物病原族群降到最低，留下耐熱性的微生物，這些耐熱性微生物大都為腐生細菌及放射菌，同時土壤蒸氣消毒可殺死地下害蟲、小動物及雜草種子，因而減少或甚至不用殺蟲劑及殺草劑，降低農藥對環境生態的影響。土壤蒸氣消毒時，在蒸氣釋出20分鐘後，可水平及垂直地滲透到20.3公分 處，溫度在土壤中的分布非常均勻，溫度條件為60 -80℃，30分鐘可殺死大部分的植物病原(表一)。蒸氣消毒後植物病原真菌、細菌及線蟲均被消滅，絕大部分的病毒不活化，殘存的微生物多為具有產生抗生素潛力的細菌及放射菌。而靜菌作用打破後需三天來恢復，若要恢復到先前未處理的狀況，約需八天。表一、蒸氣溫度對土壤生物相及雜草之影響

土傳病原菌如菌核病菌(Sclerotinia
sclerotiorum) 經50℃5分鐘即可被殺滅，疫病菌(Phytophthora crytogea)、白絹病菌(Sclerotium rolfsii)及腐霉病菌(Pythium
ultimum)等則需50℃30分鐘，立枯絲核菌(Rhizoctonia solani)及腐霉病菌(Pythium irregulare)等則需53℃30分鐘，鐮胞菌不同菌種之致死溫度亦有差異Fusarium oxysporum f.sp. gladioli
為57℃30分鐘，F.
oxysporum f.sp. dianithi 為60℃30分鐘，而48℃10分鐘即可殺死根瘤線蟲。故依文獻資料得知，60 -80℃ 30分鐘即可達到殺滅土傳病原微生物的目的。蒸氣消毒溫度及時間以60 -80℃ 30分鐘最適宜，太高溫度反而對土壤環境造成不良的結果，因蒸氣高溫( 100℃ )造成土壤產生化學反應，導致土壤養分移動及有機質分解，尤其是錳及氮所受的影響最大。交換性錳含量會因高溫而大量增加，容易造成萵苣、玫瑰、康乃馨、胡瓜、香瓜、及番茄等之毒害作用。錳元素在土壤蒸氣消毒後，維持高含量狀態的時間非常久，此因能氧化錳的細菌被高溫殺死，無法在短期內使錳被分解而下降到原先的含量。土壤中的硝酸態氮及氨態氮可被植物吸收利用，但100℃ 高溫下，會殺死硝化作用細菌，造成土壤硝酸態氮含量降低，亞硝酸態氮及氨的含量增加，使作物無法獲得足夠的氮素源，由於土壤中氨的累積，使番茄、芹菜及萬壽菊等敏感作物受害。為避免這類問題的發生，蒸氣消毒的溫度最好維持在60-80度之間。蒸氣消毒後栽培介質再利用栽培介質如果能回收再利用有多好？這是栽培業者共同的心聲，雖有些業者將廢棄介質(栽培植株發生病蟲害或無法銷售)堆積數日或以太陽能做短時日的曝晒後，混合新介質再使用，因堆積或曝晒的時間太短，廢棄介質中的病原微生物尚殘存於介質中，將再危害新植入之植株，病原微生物得以在栽培場內大量滋生，源源不息，故這種不當的處理方式，不為多數業者採用，這樣一來該如何處理堆積如山的廢棄介質？86年度由台灣省農林廳計畫編列，台南區農業改良場購置0.2公噸蒸氣消毒機一部，進行栽培介質再利用之研究。本試驗於台南縣麻豆鎮花與綠園藝栽培場進行，首先以空心磚築一長槽，槽內壁鋪上耐熱塑膠布防止蒸氣外洩，將廢棄介質堆放槽中，埋入蒸氣管，以耐熱橡皮布覆蓋，即可進行蒸氣消毒，60℃30分鐘，消毒後放置七天以利靜菌作用的恢復即可使用。試驗中以罹白絹病及疫病的廢棄介質為材料，椒草扦插後15天，蒸氣消毒處理使白絹病的罹病盆率由對照無處理的50%下降到0%，而疫病罹病盆率自60%下降到0%；椒草扦插後30天，蒸氣消毒處理使白絹病的罹病盆率由對照無處理的90%下降到0%，而疫病罹病盆率自67%下降到8%。在疫病的試驗中另加入藥劑處理為對照，椒草扦插於未經蒸氣消毒的廢棄介質，雖扦插後立即施藥，但罹病盆率亦達38%。介質中微生物之消長經初步分離，蒸氣消毒處理後六天，真菌及細菌總體密度稍下降而放射菌明顯上升，pH值則無明顯變化。可將介質裝袋，直接插入蒸氣管消毒，方便且處理時間很短。不止是廢棄介質的回收再利用，新介質亦可處理以防介質帶菌的污染問題。除了花卉栽培外，蔬菜栽培的一大革新自動化穴盤育苗，亦是無土栽培的新興事業。多種葉菜類苗期易罹患由立枯絲核菌引起之苗立枯病，設施中連續栽植，使病害日趨嚴重，將土壤改為介質的穴盤育苗本應可有效的防治本病害，但近來發現若由於介質帶菌，病害亦照常發生且更嚴重。60～80℃20～30分鐘的高溫可以殺滅殘存於介質中的病原菌，故利用蒸氣消毒亦可解決此一問題。土壤蒸氣消毒防治百合黃化以台中縣一塊已連作五年之葵百合為例，往常每年九月底種植前，先經淹水一個月以上，然後進行排水、曝曬、鬆土及利用溴化甲烷處理，才種植葵百合，切花時的植株黃化病發病率高達65.2%，大都由Fusarium spp.、Pythium
spp.及Rhizoctonia solani引起。而同一塊田直接耕耘鬆土後，進行蒸氣消毒處理，利用1公尺 長鋼管連結成10公尺 長的蒸氣管路，每畦(畦寬0.75公尺)放置兩根各10公尺 長蒸氣管，將蒸氣管上20公分 長銅管插入土壤中，銅管末端封閉，蒸氣出口在15公分 處，溫度感應器插在蒸氣管路末端附近的土壤，將溫度感應器、蒸氣管及所要處理的土壤以耐熱橡皮布覆蓋，利用重物固定，當溫度達80或60℃ 時，分別保持20分鐘或30分鐘。然後掀開橡皮布，將蒸氣管路及溫度感應器移到另外一區，繼續土壤蒸氣處理，待土壤溫度恢復常溫後，種植葵百合，地上部用藥劑保護外，所有防治土壤病蟲害及雜草的藥劑均不再使用。三個月後，葵百合採收切花時，80℃ 、60℃ 處理者及對照組之百合切花產量分別生產24.8、23.1及14.8支切花/平方公尺。在病害防治方面，以80℃ 處理者百合黃化病最少，平均只有5.7%，60℃ 處理者次之，為14.6%，對照組為46.3%。

結論蒸氣消毒不論用在土壤或介質均可減少殺菌劑、殺蟲劑及殺草劑的施用，降低農藥對環境的污染，完全符合環保條件；又選擇性殺菌作用不會造成生物真空狀態，僅去除大部分有害的微生物、害蟲及雜草，留下耐熱性的有益微生物。一般而言，只需維持60℃之間約20分鐘，就可得到最大的病害防治效果。蒸氣消毒不失為植物病害防治上的一種利器，但機器的成本、移動性及維修等問題則極待設計廠商與使用者互相切磋與研究而得以改善與解決，使蒸氣消毒更為落實在植物病害防治上。------------------------------------------------------------植物耐熱基因之功能研究常怡雍副研究員（農業生物科技研究中心） 人類社會的發展過度依賴石油及煤炭等化石類能源。大量的溫室效應氣體排放至大氣層，逐漸使得全球暖化及氣候變遷成為全人類所要面對的首要問題。專家預測，目前氣候變遷的趨勢將導致未來熱浪的天數與頻率明顯地增加。這樣的變化趨勢，對農業將形成艱鉅之挑戰。因為，根據過去的統計數字顯示，以美國為例，造成農業生產損失的主要原因正係熱浪所帶來的高溫及乾躁天氣。在因應氣候變遷當採取的眾多策略中，如何減低農作物受到乾旱及高溫逆境的衝擊也將變得越來越重要。目前，全世界在植物乾旱逆境方面的研究已投入大量的人力與經費，且獲得可觀的成果。在因應愈來愈嚴重的水荒問題的需求下，農業生技公司孟山多很可能在近期內推出耐乾旱的轉基因玉米。相對之下，植物高溫逆境的研究進展少得多。未來仍有非常大的努力空間。植物高溫逆境與耐熱基因的研究植物高溫逆境之生化與分子生物學研究的濫觴，應始於1981年美國喬治亞大學 Joe Key 教授的實驗室發表關於高等植物熱休克蛋白 (HSP) 的論文。值得一提的是，這篇論文的兩位共同作者林秋榮院士與臺大陳益明教授對這個領域後來的發展曾做出重要貢獻。他們發現，當黃豆芽受到短暫高溫或所謂熱休克處理時，植物體正常的蛋白質合成遭受到抑制，細胞轉向合成一群統稱為HSP 的蛋白質 (HSP 其實有很多種類)。一般而言，高溫可破壞細胞內蛋白質結構的穩定，使得蛋白質形成傾向容易糾結在一起的變性狀態，嚴重的話，最終會造成細胞甚至個體死亡。目前已知多種 HSP 的作用機制在參與防止蛋白質變性或協助其折疊的過程扮演重要角色。它們廣泛地存在於許多不同的生物物種之中，例如細菌、酵母菌、植物、昆蟲乃至哺乳動物，有些在結構上也非常相似。這顯示， HSP 所參與的生物耐熱機制在生物中存在高度的共通性。由於 HSP 也與人類多種疾病，如癌症的發生有關，而受到生物學及醫學研究人員的高度重視。因此，對於這些共通性高的 HSP 生化功能的理解，有許多是來自於對酵母菌、昆蟲系統或哺乳動物的研究。植物特有的耐熱基因由於形態、生存方式及生命週期的差異，面對高溫逆境，不同的物種也演化出不一樣的反應模式。在行為上，動物和植物就運用明顯不同的策略。例如，動物在感受到高溫不適時，經由神經細胞離子通道的作用，刺激身體的移動來躲避高溫傷害。而植物並沒有這樣的能力，顯然得發展出別的法子。一般而言，植物體的結構，特別是葉子，能減少輻射熱的吸收以及藉由氣孔蒸散水分來保持自身溫度略低於環境氣溫。然而，相較於動物還具有保持體溫恆定的能力，植物細胞則得經常經歷溫度劇烈的變化。因此，植物應當具有特別的高溫逆境反應機制或耐熱基因。對這些基因功能進行研究，可以讓我們對於植物適應環境高溫的機制有更深入的了解。舉個例子，在強烈的光線照射下，植物葉片的溫度會短暫地急遽升高，某些植物可透過生合成異戊二烯，以增加葉綠體的耐熱性。異戊二烯可能維持了葉綠體膜在高溫下之完整，或是減低高溫下活性氧化物對葉綠體所造成的傷害。有學者證明，若利用轉基因方法來抑制異戊二烯的生成，便會使得轉基因植物的光合作用在高溫下效率減低。有趣的是，大多數的植物物種並不會合成異戊二烯。像是常用的模式植物阿拉伯芥就不產生這種化合物。顯然，在演化的過程中，這不是植物普遍所發展出的耐熱機制。然而，在最近的一項研究發現，將灰楊樹的異戊二烯合成酵素基因轉殖到阿拉伯芥就能明顯增進轉基因植物的耐熱能力。這顯示，異戊二烯對於不產生它的植物也可以有所幫助。那麼，植物為何不普遍採納這種機制呢？這個問題目前沒有答案。也許，對多數的植物而言這可能並不經濟。因為合成異戊二烯需要投入不少能量，而異戊二烯具揮發性，生成後很快又會從氣孔釋放到大氣之中，可能是不小的損失。要發現更多的植物特有的耐熱基因，先進的研究工具提供了很好的契機。比較不同物種基因組解碼所獲得的資訊以及使用高通量基因表達分析系統如基因晶片，讓我們得以快速地發現可能屬於植物所特有的耐熱基因。接下來利用遺傳學的原則證明這些基因與耐熱性之間的關係。目前常用的方法是將目標基因破壞，然後觀察植物的耐熱性狀受到什麼影響。藉由轉基因 T-DNA 的插入來破壞基因功能的阿拉伯芥突變株的數量，已涵蓋了約 90% 以上的基因(阿拉伯芥目前已確認約有33,000個基因)。因此研究人員可以向生產 T-DNA 突變株種子的單位索取目標基因的突變株來進行研究。這是目前研究基因功能普遍使用且重要的一種方法，稱作“逆向遺傳學（reverse
genetics)”。透過上述的研究系統，我們注意到了一個普遍存在於陸生植物，但卻不存在於大多數其他生物的新穎熱休克蛋白。我們將這個蛋白質暫時命名為 Hsa32 (Heat stress-associated 32kDa protein)。由氨基酸序列的相似性，Hsa32 跟古生菌的一個酵素(簡稱 PSLS) 可能是遠房親戚。PSLS 參與了一個與甲烷合成所需的輔基之生合成途徑，而 Hsa32 在植物裡的功能卻完全不清楚。植物會產生甲烷嗎？答案是不確定。2006年一篇發表在自然(Nature)期刊的論文指出，植物也會產生可觀的甲烷。由於甲烷是比二氧化碳更為嚴重好幾十倍的溫室氣體，這篇報導顛覆了一般人認為甲烷只來自微生物的觀點，而引申出種樹也不能減少溫室氣體反而有可能更糟的看法，因而引起極大的爭議。然而，隨後陸續也有其他的學者發表植物不會產生甲烷的證據。新的實驗數據不支持植物產生甲烷外，植物也不具備其它生合成甲烷所需要的基因，雖然具有類似 PSLS 的 Hsa32 是個例外。目前，對於植物能否產生甲烷仍尚未有最終定論。我們認為 Hsa32 參與甲烷合成的可能性非常低。Hsa32 在陸生植物普遍存在的事實，不免讓人想像這個基因與植物適應陸地上多變的氣溫有密切關連。透過逆向遺傳學實驗，我們證實了 Hsa32 在阿拉伯芥的耐熱性扮演重要角色。特別的是， Hsa32 影響阿拉伯芥後天耐熱性的衰退 (acquired thermotolerance decay) 速度。不久，我們又發現一個控制基因轉錄的熱休克因子 HsfA2 也同樣參與後天耐熱性衰退的調控。所謂後天耐熱性是指細胞先接受一個較為溫和的熱處理所誘導出之更高的耐熱能力。如前面提到的，高溫氛圍使得細胞正常的蛋白質合成受到抑制，轉而合成 HSP。這是生物普遍具有的短暫性保護機制，以防後續更致命的高溫襲擊。一旦回到正常溫度後不久，HSP 開始消逝，後天耐熱性迅速衰退，細胞恢復了平常的運作。如果我們把後天耐熱機制看成是細胞的防衛措施，植物利用 Hsa32 延長防衛效能，而 HsfA2 則參與了第二波防衛工事的部署。陸生植物或許正巧妙地運用這些基因的作用以適應環境溫度經常而不規率的變化。發現與探討新的耐熱基因功能只是進一步理解植物高溫逆境反應所踏出的第一步。透過這方面的基礎研究，讓我們逐步獲得相關的知識，掌握大自然賦予植物生存的法則。當然，我們期望這些知識有朝一日能在改良作物適應氣候變遷上有實際貢獻。------------------------------------------------植物高溫逆境反應與耐熱機制之研究與應用本研究室的重點聚焦於植物高溫逆境反應與耐熱機制相關的基因功能研究。高溫是影響農業生產的重要限制因子之一，會造成農產品產量與品質的嚴重損失。由於植物耐高溫的性狀是可以遺傳的，顯示有相關基因功能的參與。然而，是什麼基因影響了作物的耐熱性狀，目前仍不清楚。在氣候暖化的預測趨勢下，為確保未來糧食安全，找出控制耐熱性狀的基因並理解植物高溫逆境反應機制的研究工作，顯然有其急迫性與重要性。本研究室利用模式植物擬南芥(Arabidopsis)作為分子遺傳的研究材料，探索高溫逆境反應基因的功能，剖析它們所編碼的蛋白質的作用機轉。先前的成果中，我們發現擬南芥兩個蛋白質 (Hsa32 及 Mge2) 特別的耐熱作用模式，並賦予新的命名；發現擬南芥熱休克轉錄因子 (HsfA1 及 HsfA2) 在受熱不同時間點所扮演上下游調控高溫逆境基因轉錄的特定角色。在生技應用方面，本研究室根據逆境交叉保護原理，嘗試過量表達 HsfA1b 轉基因，以增進番茄耐寒性，獲得初步正面的結果，這對於以生技改良採後蔬果之耐寒保鮮提供一個選項。目前，我們也正進行以水稻為材料的相關耐熱基因功能研究，和蛋白質轉譯後修飾及表觀遺傳作用對高溫逆境反應影響的研究課題。長期目標，希望透過闡釋植物耐熱分子機轉，提供改良各種作物耐熱性狀的分子基礎。高溫逆境反應的轉錄調控在所有的真核生物中，熱休克因子 (heat shock factor 簡稱 Hsf) 負責調節熱休克蛋白基因的轉錄，提升細胞抵抗逆境的功能。與動物不同的是，植物有一個較大的 Hsf 基因家族，推測與應付來自多樣而且多變的環境壓力有關。我們的研究顯示，
擬南芥 HsfA1 的四種亞型 HsfA 1a、 A1b、A1d 及 A1e 聯合扮演高溫、鹽分、滲透壓以及氧化逆境下熱休克蛋白基因轉錄調控的主要角色。高溫逆境下，它們調控了其它，如 HsfA2、HsfB1、Dreb 2A、bZIP28 等，重要的下游轉錄因子，形成複雜的訊息傳導網路，改變細胞對逆境的承受力。例如，我們發現 HsfA2 的表達，可進一步延長後天耐熱性 (acquired thermotolerance)的效期，減低植物受到間隔較長的高溫衝擊。此外，我們還發現 HsfA1 除了影響擬南芥耐熱性外，也與植物的生長發育有關。目前，
並不是很清楚 HsfA1 如何影響植物生長發育。然而，調節生長速度與減低逆境的影響存在密切關係。耐熱機制的多樣性植物不是利用同一套的耐熱機制來應付各種不同的高溫狀態。例如，突如其來的短暫極端高溫和長時間暴露在中度高溫都能誘發植物的高溫逆境反應或導致植物死亡。針對不同的溫度與暴露時間，植物必需發展出不同的防衛武器。前人與我們的研究顯示，
擬南芥至少有四種不一樣的耐熱機制：基礎或先天耐熱性(basal thermotolerance, BT)、短期後天耐熱性 (short-term acquired thermotolerance, SAT)、長期後天耐熱性 (long-term acquired
thermotolerance, LAT) 以及耐中溫性 (thermotolerance against moderately high temperature, TMHT) ，需要不同的熱逆境相關基因參與在不同的耐熱機制中。例如，轉錄因子
HsfA2 作用於 LAT，位於細胞質的新穎蛋白 Hsa32 參與在 BT 及 LAT，熱休克蛋白 Hsp101 與 Til1 對於 BT、SAT 及 LAT 扮演重要角色，而位於粒腺體內的保守性蛋白質 Mge2 則專一於 TMHT。有趣的是，這些不同的耐熱基因皆需要透過 HsfA1 激活其轉譯表達。除了轉錄以外，蛋白質轉譯及轉譯後修飾的調控對於植物耐熱機制的多樣性也有很重要的貢獻。深入並正確地理解植物耐熱機制的多樣性，找出與負責這些耐熱機制有關的蛋白質與作用機轉，是未來持續研究的目標。