0

0
0

文字

分享

0
0
0

樹癌「褐根病」是怎麼傳播的?如何有效防止病害傳播?

活躍星系核_96
・2020/04/02 ・2770字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 552 ・八年級
  • 文/巫宗錡、鍾嘉綾

樹木的平靜表面,受地下的「褐根病」威脅

行人在行道樹間穿梭,鄰居在庭院中修剪櫻花樹,孩童在公園的大榕樹下乘涼、嬉戲,這些都市林木看似平靜自在的陪伴在我們四周,樹木是我們生活中不可或缺的一部份,他們也默默奉獻一己之力,從葉片吸收大氣中的二氧化碳加以固定,排出新鮮的氧氣,以根系抓住土壤同時涵養水資源,達到調節氣候的功能。樹木更是都市生物的住所,建立都市特殊的生態系。

然而,樹木的生活並不像表面上這樣安穩平靜,除了有許多病蟲害會從樹木上掠奪養分,土表下看不到的地方,也有病原菌伺機而動。在臺灣、香港、澳門等熱帶與亞熱帶地區的都市林,褐根病 (Brown root rot) 是近年來赫赫有名、對樹木極具威脅性的敵人。事實上,包括美屬西太平洋群島、日本琉球群島上的森林也都受到嚴重的褐根病危害。

感染褐根病而枯死的鳳凰木。圖/作者提供

當褐根病菌 (Phellinus noxius) 入侵樹木的根部組織,便會開始大肆破壞,造成木材組織的腐朽,原本堅固的根變得脆弱,影響根系吸收土壤中的養分,甚至因為支撐力下降而容易倒伏。佇立在你我生活周遭的林木如果被褐根病攻陷而無預警倒下,可能壓壞房屋與車輛、阻礙交通;如果壓到行人或行進中的車輛,後果更是不堪設想。因此我們通常會選擇移除生病的樹,這句話說來簡單,處理起來卻是件大工程!

處理褐根病的常見做法:移除病樹再消毒土壤

首先要砍除地上部的枝葉,接著以挖土機將樹頭及埋在土裡的根系挖出。在移除的過程中,由於被感染的木材組織質地疏鬆,會有許多大大小小的殘根留在現場。為了去除感染源,目前最常使用土壤燻蒸法於處理褐根病的罹病地,作法是先移除病樹的地上部、樹頭與根系之後,把白色粉狀的燻蒸劑「邁隆 (dazomet)」 與土壤充分混和,並將土壤含水量調整至 40-60%,土表則以黑色塑膠布覆蓋,邁隆遇水會分解產生有毒氣體異硫氰酸甲酯 (methyl isothiocyanate),可以廣泛殺滅各種微生物。

清除病樹的樹頭與土壤中的殘根。圖/作者提供

消毒土壤有必要嗎?褐根病菌真的會由土壤傳播嗎?

褐根病菌佔領了木材組織後,已知可在植物殘體上存活長達數年,伺機等待新種植的樹木誤觸陷阱,或因人為挖掘使木塊隨著土壤移動到新的土地。然而,如果沒有了木材殘體,土壤裡還會有活的褐根病菌存在嗎?香港曾有研究指出,在病樹或健康樹木周圍的土壤裡,都有機會偵測到褐根病菌的DNA,因此推測褐根病菌會藉由土壤傳播。然而,土中的DNA也可能只源自植物根部或已死亡的微生物。

土壤裡到底有沒有活的褐根病菌,將會大大影響防治策略的選擇,因此開啟了我們追捕土壤中褐根病菌的任務。

追追追!土壤中真的有褐根病菌嗎?

如果土壤會傳播褐根病菌,那就代表侵略者原本就先埋伏在根系周圍的土壤裡,等待時機發動攻擊。而當受感染的病樹的根系已經嚴重腐朽,或許褐根病菌也開始向外擴張到周圍的土壤裡。

我們以臺灣大學校園作為研究地點,由八個褐根病發生地收集了44次的土壤樣本,看看能不能從土壤中分離出褐根病菌。由於土壤內充斥著各種細菌、真菌等微生物,我們幫褐根病菌開了一條 VIP通道,使用只有褐根病菌才能長好長滿的培養基,讓它們能直接現形。沒想到在所有的篩選中,竟然完全無法從罹病地的土壤中揪出褐根病菌

難道褐根病菌可以像間諜一樣隱匿,輕易逃過追捕嗎?我們決定主動出擊,直接收集了附著在病樹根部的根圈土壤,或土壤中受感染的殘根上沾黏的土壤,這些根部組織表面甚至可以觀察到褐根病菌絲匯集形成的菌絲面,侵略者都已經現形了,這下即使它潛伏在土壤中也難逃我們的法眼了吧!沒想到分離結果仍然一無所獲。但凡走過必留下痕跡,我們藉由能追蹤褐根病菌的專一性引子對,發現土壤中確實可以偵測到它的 DNA,然而隨著病樹被移除,褐根病菌在土壤中留下的 DNA蹤跡則會越來越少。

即使從帶有菌絲面的病根表面土壤中,同樣也分離不到活的褐根病菌。圖/作者提供

實驗證實:褐根病菌無法靠土壤傳播,清除殘根即可防止病害

這真是令人亢奮的情報呀!原來褐根病菌沒辦法在土壤中隨意生長,擴張它們的領土,而是只能固守在樹木根部或是殘根組織中,並且在健康樹木根系接觸到這些被感染的組織時,才會發動攻擊。褐根病菌並不像其他土媒病原菌,可以產生厚膜孢子或菌核等抗逆境的構造,長時間存活在土壤之中;而且土壤環境險惡,有各式各樣的微生物為了爭奪生活空間而彼此競爭、抑制,褐根病菌可能無法與其抗衡。因此我們認為,只要把已經被褐根病菌攻佔的殘根從土壤中清除乾淨,整塊土地都將重獲自由,逃離它們的魔掌

為了驗證這個觀點,我們在臺大校園內一處罹病地上,把生病萎凋的鳳凰木樹頭和根部移除之後,僅僅撿除被褐根病菌霸佔的殘根組織,再種植很容易受感染的枇杷樹苗,持續追蹤一整年後,這些枇杷樹各個生長茁壯,枇杷樹的根部組織無法分離出褐根病菌,也偵測不到病原菌的 DNA。

這表示只要清除掉土壤中的殘根組織,就不必再擔心樹木會接觸到病原菌,更不用害怕土壤中會有褐根病菌發起進攻的號角。我們以實驗證明了土壤並非褐根病菌的棲息地和傳播媒介,除了釐清病害的散播模式,也讓我們在與褐根病的長期抗戰中看到希望。

清除褐根病罹病地的殘根後,補植的枇杷在一年後依然健康。圖/作者提供

目前病害防治技術的發展,還難以讓已經感染褐根病的樹木擺脫病原菌的魔爪,我們能做的是幫助健康的樹木建立護城河,避免樹木的根系接觸到褐根病菌,也就是所謂的「預防勝於治療」,而清除感染源是最基本也最有機會根除病害的方法。

既然了解到土壤中不存在褐根病菌,土壤燻蒸等處理方式的效果與使用時機,或許可以有更深入的討論。但可以確定的是,只要把褐根病菌佔領的殘根組織從土壤中確實移除(後續可送焚化爐銷燬),現場剩餘的微小木材碎屑經由土壤腐生菌自然分解,便可讓被褐根病菌佔領的土地重獲新生。

本文重點整理

  1. 藉由土壤分離培養、DNA 偵測與種植感病植物等方法,可驗證土壤中不存在(或只有極微量的)褐根病菌活體,土壤並非褐根病菌的棲息地或傳播媒介。
  2. 病樹根部組織是褐根病菌的主要傳播媒介,與健康樹木根系接觸可能造成感染。
  3. 罹病地復育:清除被褐根病菌感染的殘根組織非常非常重要!只要殘根撿除乾淨,即使種植容易生病的植物也不會被感染。

參考文獻

  1. Chang, T. T. 1996. Survival of Phellinus noxius in soil and in the roots of dead host plants. Phytopathology 86:272-276.
  2. Wang, Y. F., Meng, H., Gu, V., and Gu, J. D. 2016. Molecular diagnosis of the brown root-rot disease agent Phellinus noxius on trees and in soil by rDNA ITS analysis. Appl. Environ. Biotechnol. 1:81-91.
  3. Wu, Z. C., Chang, Y. Y., Lai, Q. J., Lin, H. A., Tzean, S. S., Liou, R. F., Tsai, I. J., and Chung, C. L. 2020. Soil is not a reservoir for Phellinus noxius. Phytopathology 110(2):362-369. 

數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
活躍星系核_96
754 篇文章 ・ 91 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


2

8
3

文字

分享

2
8
3

既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 2
研之有物│中央研究院_96
56 篇文章 ・ 19 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook