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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。

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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。

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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。

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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. 
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活躍星系核_96
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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

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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