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讓作物可以抗殺草劑,真的是萬靈丹嗎?

沒有下田的人不知道在田間工作要花多少力氣除草;夏天的時候在亞熱帶的台灣,真的可以體會「草盛豆苗稀」是多麼的令人傷感。

由於雜草多半進行C4代謝,因此他們都比農作物(大豆、稻米、小麥)要耐旱、長得也更快,造成農夫必須要耗費相當多的時間在除草上。

2,4-D (二,四-地)在1946年問世。身為世界第一款殺草劑,這種人造的生長素(auxin)選擇性的作用在雙子葉植物上(1)。由於單子葉植物會吸收2,4-D之後將它代謝掉,使得在相同濃度下噴灑2,4-D時,雙子葉植物會因為不協調的快速生長而死亡(1,2),但是單子葉植物卻平安無事;於是2,4-D便被大量的被應用在稻田、麥田(稻、麥都是單子葉植物)中來去除雙子葉的雜草。

當然,對於單子葉的雜草還是要另外想辦法除去,而在1990年代初期,另一個殺草劑:嘉磷塞(glyphosate)讓整個系統出現了天翻地覆的變化。

glyphosate 圖片來源:維基百科

glyphosate抑制植物內的一個酵素:EPSPS (5-烯醇丙酮莽草酸-3磷酸合成酶)(1),使得植物無法合成三個必須氨基酸(苯丙氨酸phenylalanine, 酪氨酸tyrosine, 色氨酸tryptophan),造成植物死亡。由於動物不具有EPSPS,也不能合成這三個氨基酸(我們要靠飲食攝取),所以glyphosate對人沒有影響,算是相當安全的殺草劑。

其實嘉磷塞在1970年代便已問世,但是直到1990年代初期,它一直沒有被廣泛的使用,主要是因為它是所謂的「全效性」的殺草劑。任何植物只要噴上它,24小時內一定往生。

但是1990年代孟山都(Monsanto)將他們在細菌裡發現的的EPSPS殖入植物後,發生了天翻地覆的變化。由於這個細菌的EPSPS不會被嘉磷塞抑制,這使得帶有細菌的EPSPS的轉殖植物不會被嘉磷塞殺死。這麼一來,種植抗嘉磷塞(Roundup-Ready)轉殖作物的農夫可以盡情的在田裡噴灑嘉磷塞,不必擔心玉石俱焚的問題。

但是最近這幾年開始有了轉變。抗嘉磷塞的雜草在田裡出現,世界各地的農田都發現了10種以上的「超級雜草」;雖然孟山都不斷的強調,嘉磷塞還是可以殺死絕大部分的雜草,但是這些超級雜草都非常難以對付(2)。美國過去幾年來,被抗嘉磷塞的雜草佔據的田地已經擴大了五倍,有些農夫因為這些雜草太頑強,已經放棄耕種。

由於嘉磷塞的光環開始顯得黯淡,其他的生技公司又開始動腦筋了。最近陶氏(Dow)公司已經研發出了抗2,4-D的基因,並打算將這個基因轉殖到雙子葉作物中,走孟山都的模式來販賣。(P編註:意指將2,4-D用在原本會殺死的雙子葉農作物上)

2,4-D 圖片來源:維基百科

但是,最近發表在「植物期刊」(The Plant Journal)上的一篇文章,或許是在提醒我們,我們不只是對於我們自己瞭解的不夠,對於我們周遭的生物瞭解的也不夠(3,4)。

由Peer博士領軍的研究團隊,發現植物中的ABCB4運輸蛋白可以吸收2,4-D。

先前的研究瞭解到ABCB4運輸蛋白的功能是負責在根部把生長素(auxin)往莖部運送。由於生長素可以使植物細胞延長,所以過去也觀察到沒有ABCB4的植物突變株(abcb4突變株)的根毛,因為有過多的生長素而變短。

但是過去的結果也讓一些科學家很納悶:如果ABCB4唯一的功能是負責把生長素往莖部運送,為何在abcb4突變株中,科學家們觀察到,雖然往莖部運輸的生長素少了三分之一到一半,但是在根部的生長素的濃度卻並沒有降低?

Peer博士的團隊發現,原來ABCB4不僅只會把生長素往莖部運送,它也會把生長素「運出」細胞。

而在有2,4-D出現的情況下,2,4-D會干擾ABCB4的功能,使得生長素的運輸受到干擾,造成植物只會把生長素以及2,4-D運入細胞,卻不會往莖部運送;如此一來,植物的根部會因為有過多的生長素,造成根毛變短。

由於根毛負責90%的植物水分以及礦物質的吸收,根毛變短可能會使得植物需要更多的水分與肥料;而農業目前對生態造成的最大的衝擊就是水和肥料的使用。世界上70%-80%的淡水是用在農業灌溉上,而肥料–過度的使用氮肥及磷肥會造成死亡海域的發生,更不用提磷礦即將耗竭的問題。

由於使用對於2,4-D有抵抗力的作物也意味著2,4-D將會在未來被大量的使用,這可能會對我們目前資源已將耗竭的地球壓上最後一根稻草;另外2,4-D也曾被發現跟一些癌症以及硬化症的發生率有關連(1)。

只能說,或許我們真的應該要放棄這些不自然的農法,讓我們真的用心去學習如何與地球好好相處。但是,以目前地球上的人口數目,如果要回歸到自然農法,我們生產的糧食,是否能養活這麼多人呢?

參考文獻:
1. Wikipedia. 2011/11/17. 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid.
2. 科學人. 2011/6. 超級雜草
3. Science Daily. 2011/11/22. Herbicide may affect plants thought to be resistant
4. Kubes M., Yang H., Richter G.L., Cheng Y., Mlodzinska E., Wang X., Blakeslee J.J., Carraro N. Petrasek J., Zazimalova E., Hoyerova K., Peer W.A., and Murphy A.S. 2011. The Arabidopsis concentration-dependent influx/efflux transporter ABCB4 regulates cellular auxin levels in the root epidermisThe Plant J. doi: 10.1111/j.1365-313X.2011.04818.x

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