內容提供/豐年雜誌 文、攝影/農委會臺中區農業改良場助理研究員 羅佩昕 首圖提供/虎鯨吃草莓農場

酵母菌為真菌界一員,廣泛地存在於自然環境,植物葉表、果實表面、土壤、海水,甚至腐木或腐爛水果都可見其蹤跡,目前約有1,500種酵母菌已被科學家鑑定與記載。酵母菌對於養分需求簡單,醣類為主要碳素源與能量來源,單醣、寡醣皆可被大部分酵母菌利用,因此只要有醣類存在之處,酵母菌即可生長。
人類將酵母菌應用於食品發酵產業已有上千年歷史,經由挑選與馴化的菌種,不僅可應用於生產啤酒、各式酒類,亦可發酵麵包、饅頭。此外,近年研究開發植物病害防治潛力正蓬勃發展。

酵母菌研究風起雲湧,商品化應用於病害防治

國外許多研究報告指出,酵母菌可應用於採後病害防治,例如青黴菌屬(Penicillium)引起柑桔青黴病、綠黴病,灰黴屬(Botrytis)引起草莓灰黴病,鏈核盤菌屬(Monilinia)引起桃褐腐病,炭疽刺盤孢菌屬(Colletotrichum)引起芒果炭疽病等。已開發與研究中的酵母菌種類繁多,例如隱球酵母菌(Cryptococcus sp.)、假絲酵母菌(Candida sp.)、梅奇酵母菌(Metschnikowia sp.)、畢赤酵母菌(Pichia sp.)等,其中已有多種酵母菌菌種成功開發為產品。

草莓灰黴病於罹病果實初期造成褐色病斑,後期果實覆蓋灰褐色粉末狀分生孢子。草莓生長後期,於果實定期施用酵母菌至採收前,使酵母菌纏據於果實表面,與病原菌空間與營養競爭形成優勢,預期可減少損耗並延長儲架壽命。

第一代酵母菌生物農藥Aspire酵母菌菌種是橄欖假絲酵母菌(Candida oleophila),為美國生物農藥公司艾科淨(Ecogen Inc.)自番茄果實表面分離,應用於防治柑桔與梨、蘋果等仁果類水果灰黴病、青黴病,雖此產品目前不存在於市面,卻引起許多研究人員開發假絲酵母菌病害防治潛力。其中,橄欖假絲酵母菌的不同菌株發展酵母菌生物農藥Nexy,為比利時開發並成功登記於歐洲聯盟,應用於蘋果、梨、香蕉儲藏期間,防治由灰黴病菌、青黴病菌或炭疽病菌所引起之病害。

登記於西班牙的酵母菌生物農藥Candifruit,酵母菌菌種為清酒假絲酵母菌(Candida sake),應用於仁果類果實採後病害防治。目前最成功的酵母菌生物農藥Shemer,由以色列農業部農業研究組織(ARO)教授薩米爾․德羅比(Samir Droby)發現並分離的核果梅奇酵母菌菌株(Metschnikowia fructicola),於以色列已核准在採收前與採收後施用於各類蔬果,包含酪梨、柑桔、葡萄、草莓等作物,用以防治灰黴病、青黴病等真菌性病害,此產品目前由德國製藥公司拜耳(Bayer AG)取得,並授權給荷蘭公司科伯特生物系統(Koppert Biological Systems)。

防治效果受環境與菌株特性影響

成功開發酵母菌生物農藥,首要關鍵步驟是分離、篩選出穩定且有效菌株。酵母菌分離、篩選過程,影響其商品化效率與成功性。國外研究酵母菌分離,多採用查爾斯․威爾遜(Charles L. Wilson)等人〈微生物拮抗劑防治蔬果採後病害之選擇策略〉(A selection strategy for microbial antagonist to control postharvest diseases of fruits and vegetables)的開發方式,由作物表面傷口分離酵母菌,此方法可快速篩選具防治採後病害潛力之酵母菌,並具有於傷口快速纏據、利用傷口生成物質作為營養來源的特性,亦可廣泛由植物體表面、土壤、海水中分離,例如酵母菌生物農藥Aspire、Nexy,其酵母菌即分別分離自番茄、蘋果果實表面。

為鑑別酵母菌種類,利用顯微鏡觀察酵母菌形態多呈卵圓形或橢圓形,細胞較一般細菌大。

具防治效果的酵母菌,常被利用於田間或水果包裝場,面臨高溫乾旱的田間環境或水果低溫儲藏,各種環境因子皆會影響其活性與防治效果,例如高低溫度、氧化壓力、酸鹼值、乾濕度。因此,亦有研究極端環境中分離具高逆境耐受性酵母菌,例如分離自海水的紅冬孢酵母菌(Rhodosporidium paludigenum),較一般果實表面所分離的酵母菌具有較高滲透壓耐受性,當暴露於逆境中有較高適應性,可用於防治梨青黴病、棗類潛伏感染互生鏈格孢菌(Alternaria alternata)。

此外,具開發潛力的酵母菌還須具備基因穩定性、低濃度即具抑制果實病害發生效果、可防治多種病原菌、易培養、對環境友善、對植物不具病原性、對人體不具危害等特性。酵母菌生物農藥商品化過程中,將面臨酵母菌量產發酵、開發農藥配方等考驗,其中量產發酵過程須考量發酵成本、發酵時間不可過長及提升菌量穩定性,開發農藥配方則須考量儲架壽命、保存方式、酵母菌活性維持及簡易施用方法,更可提高市場接受度。

六大拮抗機制保護作物傷口

酵母菌成功應用於防治病害,乃酵母菌、病原菌及寄主植物之間存在交互作用,在酵母菌作用下,可驅動交互作用達到防治病原菌效果,酵母菌主要作用機制如列。其一為營養與空間競爭被視為酵母菌在生物防治上的第一優勢,其與病原菌間透過營養競爭,例如醣類、氮、氧等,酵母菌比病原菌更能充分利用這些生長元素,且由於生長快速,也更優先附著並保護作物表面傷口。

其二為產生抑菌物質,酵母菌可產生具擴散性或揮發性的抗菌化合物,例如毒質、抗生代謝物。黑酵母菌(Aureobasidium pullulans)可產生抗菌物質金擔子素A(Aureobasidin A),其影響病原菌生合成與代謝功能,此類酵母菌亦被指出可產生具拮抗病原菌的揮發性有機化合物。

番石榴果實常出現褐色病斑,果肉可能軟化、呈水浸狀,或表皮褐化,可嘗試運用酵母菌防治。

其三為寄生與產生水解酵素,酵母菌寄生病原菌的現象,可造成病原真菌構造直接被破壞或分解,其也能產生葡聚醣酶、幾丁質酶、蛋白酶等分解酵素,對病原真菌有直接或間接破壞細胞壁的效果,例如季也蒙畢赤酵母菌(Pichia guilliermondii)即可產生葡聚醣酶破壞灰黴病菌菌絲。

其四為嵌鐵能力,真菌生長與病原性表現都需要鐵元素,某些酵母菌即具有嵌鐵能力,與病原菌競爭鐵元素,因而產生拮抗病原菌的效果。梅奇酵母菌即具有此能力,可抑制灰黴病菌、青黴病菌菌絲生長與孢子發芽的效果。其五為形成生物膜,酵母菌可在果實表面或傷口內部黏附、纏據及繁殖,並且在基質上產生蛋白質、多醣體,形成生物膜以有效拮抗病原真菌。其六為誘導植物產生抗病反應,病原菌感染植物前,其也能與植物組織或傷口產生交互作用,因而誘發植物系統性抗病反應,抑制病原菌感染植物體。

以營養競爭為主要抗病原菌機制

目前各種酵母菌防治病原菌之作用機制仍未完全透徹,進一步釐清將有助於病害防治策略的發展。已商品化的酵母菌生物農藥,其登記施用對象、作用機制及使用方法,大多針對採後病害進行防治,並以營養與空間競爭為最主要作用機制。

以酵母菌生物農藥Nexy為例,其防治對象為蘋果與梨的灰黴病、青黴病、香蕉炭疽病,於採收後且儲藏前施用,浸漬30秒至2分鐘或持續淋洗至少30秒;主要拮抗病原菌機制為其與病原菌的營養競爭,並優先纏據果實表面,更具產生葡聚醣酶分解病原真菌細胞壁的能力。

番石榴瘡痂病近乎全年皆可能發生,雖於小果期即進行套袋,病原菌仍可能經過枝條進入袋內造成病害,除了維持良好田間衛生外,於套袋前施用酵母菌,在果實上營造良好微生物相,以期降低病害發生率。

酵母菌生物農藥Shemer則為水分散性粒劑劑型,登記防治對象廣泛,包括柑桔青黴病、草莓灰黴病、葡萄灰黴病、甘藷軟腐病等,可於採收前或採收後噴灑或浸漬,主要作用機制為營養競爭,真空狀態下,Shemer儲架壽命可長達1年。而以較特別的類酵母菌(Aureobasidium pullulans)菌種開發酵母菌生物農藥Boniprotect,主要作用機制為營養競爭,同樣為水分散性粒劑劑型,於德國登記防治蘋果與梨的青黴病、灰黴病,主要於果實採收前2~3週開始施用,最多每隔7天施用1次、連續3次,採收期間亦可施用。亦可與少數殺菌劑、殺蟲劑混合施用,於25℃下可存放10個月,於8℃下可存放18個月;同類異名產品Botector於澳洲登記防治葡萄、草莓、番茄灰黴病。

生長增殖快且環境適應性廣

酵母菌生物農藥開發與商品化在國外已有多項成功案例,然而綜觀其商品化過程,仍面臨許多阻礙。目前多為小型公司投入開發,必須克服產品利潤低、資金缺乏、難以建立市場的困境,加上生物農藥商品化前須向主管機關登記,如美國國家環境保護局(EPA),過程須耗費許多時間,也成為商品化阻礙。而於消費市場所面臨的挑戰,則為生物農藥防治效果不如化學農藥快速有效,酵母菌多受限於採後病害防治為主,導致酵母菌生物農藥推展受限。

酵母菌應用於病害防治,仍具有不可或缺的地位,不僅可適應蔬果微觀環境,包括高糖濃度、高滲透壓、低酸鹼值、高濕度等特性,且生長增殖快速、營養需求簡單,於蔬果表面可快速建立族群,為營養與空間競爭下的贏家,進而達到保護植物體的效果,也因其環境適應性廣,亦成為生物農藥開發優勢。

葡萄晚腐病於果實潛伏感染,至果實轉色期顯現病徵,產生黑色斑點,至中期病斑處凹陷,並產生橘紅色分生孢子。於生長中期至套袋前定期施用酵母菌,酵母菌纏據果實表面達到保護效果,以期減少炭疽病菌感染比例。

臺灣蔬果內銷與外銷過程中,常因採收前潛伏感染病原菌,或採收後蔬果表面傷口引起病害,造成農民損失。若可將酵母菌結合採前管理與採後處理技術,於蔬果表面形成微生物保護層,將可大幅降低病害所造成的損耗。

農委會臺中區農業改良場已效力於酵母菌篩選與防治效果測試,從葉表、果實表面傷口分離酵母菌,經純化培養的酵母菌於培養基進行拮抗試驗,將病原菌放置於培養基中央,並於病原菌兩端各畫一條酵母菌,觀察酵母菌抑制病原菌菌落生長情形,測試其對番石榴瘡痂病、炭疽病、葡萄晚腐病菌等多種造成果實腐敗病原菌的抑制效果,挑選具有優異拮抗效果之酵母菌,進行後續於果實防治試驗,目前已初步建立拮抗酵母菌篩選平臺。未來將針對番石榴瘡痂病、炭疽病、葡萄晚腐病、草莓灰黴病等作為防治目標,以期將酵母菌生物農藥導入田間,應用於採前管理與採後處理技術。

近年來食品安全、農業安全及環境安全受到重視,農業型態也逐漸由慣行農業轉為安全、友善農業,期盼政府積極推行生物農藥,朝向化學農藥減量目標,其中利用微生物達到防治效果的生物農藥成為重要研究方向。臺灣的生物農藥包括木黴菌、液化澱粉芽孢桿菌、枯草桿菌等已開發產品或正在登記品項,而酵母菌生物農藥正值研究與開發階段,期望能成為採收前後果實保護生力軍,提升蔬果內銷與外銷品質。

本文轉載自《豐年雜誌》2018年11月號。《豐年雜誌》電子書平台,請參考:udn讀書吧TAAZE 讀冊生活HyReadZinio華藝線上圖書館Kono

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