108 年 國立臺灣大學植物醫學碩士學位學程《植物保護學》

本題主要在探討診斷植物病毒病害的各種方法。植物病毒病害的診斷是病害管理的第一步，準確的診斷有助於後續的防治策略。

診斷植物病毒病害的方法可以分為以下幾類：

1. 田間觀察法 (Field Observation)：

   • 這是最基礎的診斷方法，透過觀察植物的外部形態和病徵來判斷。
   • 常見病徵包括：嵌紋 (mosaics)、黃化 (yellowing)、壞疽 (necrosis)、捲葉 (leaf curling)、矮化 (stunting)、畸形 (malformation) 等。
   • 需要注意病徵的特異性，因為許多非病毒性因素（如營養不良、蟲害、環境壓力）也可能引起類似的病徵。
   • 優點：快速、成本低廉。
   • 缺點：準確性較低，容易誤判，無法確定具體病毒種類。

2. 接種法 (Inoculation Test / Bioassay)：

   • 將懷疑帶有病毒的植物汁液或組織接種到感病的指示植物 (indicator plants) 上，觀察指示植物是否出現特異性病徵。
   • 指示植物的選擇非常重要，不同的指示植物對特定病毒有不同的反應（如局部病斑、系統性感染、無症狀帶毒等）。
   • 優點：可確認病毒的存在，並對某些病毒有初步鑑別能力。
   • 缺點：耗時較長，需要飼養指示植物，且結果受操作技術影響。

3. 血清學檢測法 (Serological Tests)：

   • 利用抗原（病毒蛋白）與抗體（特異性抗體）之間的專一性結合反應來檢測病毒。
   • 常見方法包括：
     • 酵素免疫吸附試驗 (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)：靈敏度高，可定量，是目前最常用的方法之一。
     • 免疫擴散試驗 (Immunodiffusion, ID)：如 Agar gel diffusion (AGD)，較 ELISA 靈敏度低，但操作相對簡單。
     • 免疫印跡法 (Western Blotting)：可進一步確認病毒蛋白質的分子大小。

本題主要考查植物遭受線蟲危害時所表現的典型病徵。線蟲是微小的土壤或水生寄生性線蟲，牠們透過刺穿植物細胞吸取養分，或在植物組織內形成蟲癭、根瘤等，進而影響植物的生長發育。

植物受線蟲危害的病徵可分為地上部與地下部兩大類：

一、地下部病徵 (Below-ground Symptoms)

這是線蟲危害最直接且常見的表現，因為大多數植物寄生性線蟲生活在土壤中，直接侵害根系。

1. 根部生長不良與畸形：

   • 根尖壞死 (Root tip necrosis)：線蟲侵入根尖，造成根尖組織壞死，阻礙根的生長。
   • 根部腫大或形成蟲癭 (Root galls or swellings)：許多線蟲（如根結線蟲 Meloidogyne spp.）會刺激植物細胞過度增生，形成腫瘤狀的根瘤或蟲癭，扭曲根的正常形態。
   • 根部形成分支 (Excessive root branching)：根部可能因受損而產生異常分枝。
   • 根毛減少或消失 (Reduced or absent root hairs)：線蟲破壞根毛，影響植物吸收水分和養分的能力。
   • 根系稀疏、短小 (Stunted and sparse root system)：整體根系發育受阻，變得細小、稀疏。

2. 根部病變：

   • 傷口感染 (Secondary infections)：線蟲造成的傷口容易被其他病原菌（如細菌、真菌）入侵，導致根部腐爛、潰瘍等。
   • 維管束病變 (Vascular tissue damage)：某些線蟲（如劍線蟲 Xiphinema spp.、長針線蟲 Longidorus spp.）可能侵入根部維管束，影響水分和養分的運輸，間接導致地上部萎凋。

本題為申論題，主要探討害蟲生物防治的理論、實務應用、關鍵技術環節以及在台灣的應用實例與成敗分析。

一、害蟲生物防治的理論基礎

害蟲生物防治 (Biological Control of Insect Pests) 是利用生物體（主要是天敵）來防治害蟲的一種生態學方法。其理論基礎在於利用自然界中存在的捕食、寄生、病原感染等關係，來抑制害蟲族群的密度，使其不至於對作物造成經濟損失。主要策略包括：

1. 傳統生物防治 (Classical Biological Control)：引入一種或多種外來天敵，以期能永久性地控制外來入侵害蟲。
2. 補充性生物防治 (Augmentative Biological Control)：大量繁殖並釋放本土或外來天敵，以期在短時間內快速降低害蟲族群密度，彌補自然天敵不足。
3. 保護性生物防治 (Conservation Biological Control)：透過改善環境，如保留或種植蜜源植物、設置天敵棲所、減少非選擇性農藥使用等，來增加、保護和維持本土天敵族群。

二、害蟲生物防治的實務應用與關鍵技術環節

1. 選擇物種 (Species Selection)：

   • 目標害蟲：需明確鎖定防治對象，了解其生態習性、生命週期、族群動態。
   • 天敵物種：
     • 專一性 (Specificity)：選擇對目標害蟲專一性高的天敵，以避免誤傷非目標生物，特別是益蟲和保育類昆蟲。
     • 效率 (Efficiency)：天敵需具備高捕食或寄生效率，能有效降低害蟲族群。
     • 繁殖力 (Reproductivity)：天敵的繁殖速度需足夠快，能跟上害蟲的繁殖速度。
     • 環境適應性 (Adaptability)：天敵需能適應當地的氣候、環境條件，並能在田間存活、繁殖。
     • 易於繁殖 (Ease of mass rearing)：若為補充性生物防治，則需考量天敵是否容易在實驗室大量繁殖。
     • 安全性 (Safety)：排除對人類、家畜、寵物、其他農作物或生態環境有危害的天敵。

2. 飼育 (Rearing)：

   • 大量繁殖技術：為補充性生物防治開發穩定、經濟、高效的飼育系統，包括提供適當的飼料、環境條件（溫度、濕度、光照）、密度控制等。
   • 人工飼料開發：減少對活體蟲源的依賴，降低飼育成本和潛在的病蟲害傳播風險。
   • 品質控制：確保飼育出的天敵具有良好的活動力、寄生/捕食能力和繁殖潛力。

3. 釋放 (Release)：

   • 釋放時機：在害蟲族群開始增加但尚未達到經濟危害水準之前釋放。
   • 釋放密度：根據害蟲密度、作物生長階段、天敵種類與效率，計算最適當的釋放密度。
   • 釋放方法：選擇對天敵傷害最小的釋放方式，如定點釋放、均勻撒播、使用緩釋載體等。
   • 釋放地點：選擇有利於天敵建立族群或發揮作用的地點。

4. 效果評估 (Efficacy Evaluation)：

   • 害蟲密度監測：定期監測目標害蟲的族群密度變化。
   • 天敵族群監測：評估釋放天敵在田間的存活率、繁殖情況及分佈。
   • 作物產量與品質評估：比較生物防治區與對照區（如對照區為慣行農藥防治或未防治區）的產量和品質差異。
   • 經濟效益分析：評估生物防治的成本效益。
   • 生態影響評估：觀察對非目標生物及整體生態系統的影響。

三、台灣在害蟲生物防治上的成功與失敗實例

成功案例：

1. 赤眼卵蜂 (Trichogramma spp.) 防治二化螟 (Chilo suppressalis) 和亞洲玉米螟 (Ostrinia furnacalis)：
   • 理論與實務：二化螟和亞洲玉米螟是水稻和玉米的重要害蟲。赤眼卵蜂是這些螟蟲的廣泛寄生蜂，其生活史能快速繁殖，且對卵的寄生率高。透過大量飼育赤眼卵蜂，並在害蟲卵期施放，能有效降低幼蟲發生量。
   • 成功原因：
     • 目標害蟲（螟蟲）的卵期較為固定，易於預測，利於施放時機掌握。
     • 赤眼卵蜂的飼育技術成熟，成本相對較低。
     • 寄生蜂具有專一性，對其他益蟲影響較小。
     • 補充性生物防治效果顯著，已被廣泛應用於水稻、玉米等作物。
   • 關鍵技術：精準的釋放時機、足夠的釋放密度、良好的飼育品質。

本題主要探討除草劑巴拉刈 (Paraquat) 在台灣被禁用之原因，以及其可能的替代防治方法。

一、巴拉刈被禁用的原因

巴拉刈是一種接觸型、速效性的除草劑，對於雜草有廣泛的殺滅效果，因此在農業上曾被廣泛使用。然而，其禁用主要基於以下幾點考量：

1. 急性毒性高，對人體健康造成嚴重威脅：

   • 巴拉刈經口誤食或皮膚、黏膜接觸，可能導致嚴重的急性中毒。
   • 即使是少量誤食，也可能造成肺部纖維化、肝腎損傷、心血管系統衰竭等，致死率極高。
   • 長期接觸也可能增加罹患巴金森氏症的風險，這已是國際間越來越關注的議題。
   • 由於其劇毒性，過去曾發生多起農民因誤用、誤食或自殺而中毒死亡的案例。

2. 缺乏有效解毒劑：

   • 巴拉刈一旦進入人體，特別是進入肺部，目前沒有特效解毒劑能夠有效清除或逆轉其對肺部的傷害。

3. 環境殘留與生態影響疑慮：

   • 雖然巴拉刈在土壤中會快速被吸附且失去活性，但其對水生生物仍有毒性，若不慎流入水體，可能對生態造成影響。

4. 國際趨勢：

   • 許多國家（如歐盟、瑞士、中國大陸等）已禁止或嚴格限制巴拉刈的使用，台灣的禁用也符合國際間對高毒性農藥的管制趨勢。

二、替代方式

在禁用巴拉刈後，農業生產上需要尋找其他有效的雜草防治方法，這些方法可以分為化學、物理、生物及農業慣行管理等：

1. 化學防治替代：
   • 其他選擇性或非選擇性除草劑：
     • 非選擇性除草劑：如草甘膦 (Glyphosate)，雖然也面臨一些爭議（如對環境的潛在影響），但其急性毒性遠低於巴拉刈，且效果廣泛。
     • 選擇性除草劑：針對特定作物和特定雜草種類，選擇較低毒性、對環境友善的除草劑。例如，水稻田的「水稻田雜草」，玉米田的「玉米田雜草」等。
   • 輪替使用除草劑：避免單一除草劑的長期使用，以延緩雜草產生抗藥性。

本題旨在探討液化澱粉芽孢桿菌 (Bacillus amyloliquefaciens) 的特性及其在農業上的應用。這是一種常見的、對植物有益的細菌。

一、液化澱粉芽孢桿菌的特性

液化澱粉芽孢桿菌 ( Bacillus amyloliquefaciens ) 是一種革蘭氏陽性、兼性厭氧、產孢的桿菌，廣泛存在於土壤、植物根圈、發酵食品等環境中。其主要特性包括：

1. 產孢能力：

   • 與其他芽孢桿菌一樣，在不利環境條件下（如營養缺乏、高溫、乾燥）能形成耐高溫、乾燥、紫外線及化學消毒劑的休眠孢子。
   • 這些孢子具有極強的抵抗力，可在惡劣環境中存活很長時間，一旦環境改善，便會萌發成活菌。這使得其製劑具有較長的貯存期和較好的田間存活率。

2. 產生多種生物活性物質：

   • 酵素：這是其名稱「液化澱粉」的由來，能分泌澱粉酶 (amylase) 液化澱粉。此外，還能分泌蛋白酶 (protease)、幾丁質酶 (chitinase)、纖維素酶 (cellulase) 等，這些酵素在分解有機質、抑制病原菌方面扮演重要角色。
   • 抗菌物質：能產生多種抗菌素，如：
     • 脂肽類 (Lipopeptides)：包括諷刺素 (surfactin)、依薩拉明 (fengycin/plipastatin) 等。這些物質具有廣譜的抗菌、抗真菌活性，能直接抑制或殺滅多種植物病原菌，並能干擾病原菌的生物膜形成。
     • 揮發性有機化合物 (Volatile Organic Compounds, VOCs)：如二乙醯基 (diacetyl) 等，也具有抑制真菌生長的作用。
   • 植物生長激素：能產生一些植物激素，如赤黴素 (gibberellin)、細胞分裂素 (cytokinin) 等，促進植物生長。
   • 鐵載體 (Siderophores)：能分泌鐵載體，與環境中的鐵離子結合，使病原菌難以獲取鐵元素，從而抑制其生長（競爭性抑制）。

3. 促進植物生長：

   • 透過產生植物激素、改善土壤結構、增加土壤養分有效性（如磷的溶解）等方式，促進植物根系發育和整體生長。

4. 誘導植物抗性 (Induced Systemic Resistance, ISR)：

本題要求列舉三種新尼古丁類殺蟲劑，說明其作用機制，探討引起社會廣泛討論的原因，並表達個人看法。

一、三種新尼古丁類殺蟲劑名稱

新尼古丁類殺蟲劑 (Neonicotinoids) 是一類結構與尼古丁相似的殺蟲劑，主要作用於昆蟲的神經系統。常見的有：

1. 吡蟲啉 (Imidacloprid)：最早商業化的新尼古丁類殺蟲劑之一，廣泛應用於多種作物。
2. 噻蟲嗪 (Thiamethoxam)：另一種廣泛使用的殺蟲劑，常作為種子處理劑。
3. 可尼丁 (Clothianidin)：也常作為種子處理劑，或用於土壤處理。

其他常見的還有：賽扶寧 (Cyazypyr)、氟啶蟲胺腈 (Flupyradifurone) 等，但前三者是較具代表性的。

二、作用機制 (Mechanism of Action)

新尼古丁類殺蟲劑屬於神經毒劑，其作用機制是：

1. 作用於昆蟲神經系統的乙醯膽鹼受體 (Acetylcholine Receptor, nAChR)：
   • 新尼古丁類殺蟲劑的化學結構與神經傳導物質乙醯膽鹼 (acetylcholine) 相似。
   • 牠們能與昆蟲中樞神經系統的突觸後膜上的尼古丁型乙醯膽鹼受體 (nicotinic acetylcholine receptor, nAChR) 結合。
   • 與乙醯膽鹼不同的是，新尼古丁類殺蟲劑與受體結合後，不易被乙醯膽鹼酯酶 (acetylcholinesterase) 分解，因此會持續性地激活受體。
2. 導致神經興奮過度：
   • 持續的受體激活導致神經細胞過度興奮，氯離子通道開啟時間延長，大量氯離子進入神經細胞，使神經細胞膜電位持續處於去極化狀態。
   • 這會引發神經信號傳導的紊亂，導致昆蟲出現麻痺、顫抖、不協調運動，最終因神經系統崩潰而死亡。

三、引起社會與科學界廣泛討論的原因

新尼古丁類殺蟲劑的使用，特別是作為種子處理劑，雖然對防治刺吸式口器害蟲（如蚜蟲、粉蝨）和咀嚼式口器害蟲（如甲蟲幼蟲）非常有效，但近年來引起了廣泛的爭議和討論，主要原因如下：

1. 對傳粉昆蟲（尤其是蜜蜂）的危害：

   • 非致命性劑量影響：即使在低於致死劑量的暴露下，新尼古丁類殺蟲劑也會影響蜜蜂的導航能力、覓食行為、學習能力、繁殖能力和免疫力。這使得蜂群的整體健康和生產力下降。
   • 系統性藥劑：作為種子處理劑，藥劑會進入植物體內，通過根部吸收，運輸到植株的各個部位，包括花粉和花蜜。這使得蜜蜂在採集花粉和花蜜的過程中，持續暴露於藥劑中。
   • 累積效應：蜂群在整個採集季節中，可能持續暴露於不同來源的新尼古丁類殺蟲劑，造成累積性毒害。
   • 對其他傳粉昆蟲的影響：除了蜜蜂，其他重要的傳粉昆蟲（如熊蜂、獨居蜂、蝴蝶等）也可能受到類似的危害。

2. 對生態系統的潛在影響：

   • 食物鏈的影響：傳粉昆蟲是許多野生植物和農作物繁殖的關鍵，牠們數量的下降可能影響植物的繁殖，進而影響依賴這些植物生存的其他生物。
   • 土壤和水體污染：雖然新尼古丁類殺蟲劑在土壤中會被吸附，但仍有研究指出其可能滲入地表水或地下水，對水生無脊椎動物（如某些昆蟲幼蟲、蝦類）造成危害。

本題主要探討酸性紅壤（pH 4-5，黏質）在台灣桃園地區的特性，以及其對作物生長的影響，特別是鋁毒害和磷素有效性問題，並要求提出改良方法及診斷作物缺磷徵狀。

一、改良土壤鋁毒害問題的方法

桃園地區常見的紅壤，其pH值偏低（4-5），這意味著土壤中鋁離子（Al³⁺）的溶解度較高。鋁離子在高濃度時對植物具有毒性，會抑制根系生長，影響水分和養分的吸收，導致作物生長不良。改良方法主要有：

1. 石灰質資材的施用 (Liming)：

   • 原理：施用石灰（如碳酸鈣 CaCO₃、氧化鈣 CaO、氫氧化鈣 Ca(OH)₂）是改良酸性土壤最直接有效的方法。石灰能與土壤中的酸性物質（如 H⁺、Al³⁺）反應，提高土壤pH值。
   • 反應式：
     • $Al^{3+} + 3H_2O \rightarrow Al(OH)_3 + 3H^+$ （鋁離子水解產生酸）
     • $CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2$
     • $Al^{3+} + 3CaCO_3 \rightarrow Al(OH)_3 + 3Ca^{2+} + 3CO_2$ （石灰中和酸和鋁離子）
     • $Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow$ （石灰提供 OH⁻ 沉澱鋁離子）
   • 注意事項：
     • 需根據土壤pH值和緩衝能力，計算所需石灰的量（石灰需求量，Liming Requirement）。
     • 分次、均勻施用，避免一次施用過量造成pH值過高，影響其他養分的有效性。
     • 與土壤充分混合，讓反應充分進行。
     • 可選用不同形式的石灰，如牡蠣殼粉、白雲石粉等。

2. 施用有機質 (Organic Matter Application)：

   • 原理：有機質（如堆肥、綠肥）具有陽離子交換容量 (CEC) 和陰離子交換容量 (AEC)，能吸附和螯合（chelate）鋁離子，降低其在土壤溶液中的活性。
   • 機制：有機質中的羧基 (-COOH) 和酚羥基 (-OH) 等官能基，能與 Al³⁺ 形成穩定的錯合物，將其固定在有機質結構中，使其不易被植物吸收。
   • 效益：同時能改善土壤結構、增加陽離子交換容量、提高緩衝能力，並提供養分，間接幫助植物抵抗鋁毒害。

3. 選擇耐鋁作物或品種：

   • 若短期內無法完全改良土壤，可選擇對鋁毒害較不敏感或耐受性較強的作物或品種種植。例如，某些茶樹、藍莓、杜鵑花等喜酸性植物相對耐鋁。

4. 改善排水 (Improve Drainage)：

   • 雖然不是直接處理鋁毒，但良好的排水可以防止土壤過度飽和，減少鋁離子的釋放和累積，並改善根系通氣，增強植物抵抗力。

二、造成酸性土壤中磷有效性偏低的主要土壤組成和土壤反應

在pH 4-5的酸性土壤中，磷 (P) 的有效性普遍偏低，主要原因與土壤中的磷來源、土壤組成以及所發生的化學反應有關：

1. 主要土壤組成：

   • 氧化物/氫氧化物：酸性土壤，尤其是黏土，通常富含鐵 (Fe) 和鋁 (Al) 的氧化物和氫氧化物。這些礦物質表面具有較高的陽離子交換容量和對陰離子的吸附能力。
   • 黏土礦物：黏土礦物（如蒙脫石、高嶺石）本身帶有負電荷（CEC），但其表面也可能存在正電荷的邊緣，或易於吸附其他金屬離子，進而影響磷的吸附。

2. 土壤反應 (化學反應)：

   • 磷的吸附與固定 (Adsorption and Fixation)：
     • 化學吸附 (Chemisorption)：在酸性條件下，土壤溶液中溶解的磷酸根離子 (H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻) 會與土壤中高活性的鋁離子 (Al³⁺) 和鐵離子 (Fe²⁺/Fe³⁺) 發生強