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植物病原菌專題:皮爾斯病與加州的葡萄園

威.法
・2013/02/22 ・2740字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

文 / 羅賓.帖康 (Robin Tecon)加州大學戴維斯分校 博士後微生物研究學家
譯 / 威.法

葉緣焦枯病菌3Xylella fastidiosa )可不是你所知道的普通細菌,牠可是二O一二年植物病原細菌的通緝要犯之一!(Mansfield, 2012.)這絕非空穴來風:葉緣焦枯病菌可以感染超過一百種的植物(葡萄、夾竹桃、柑橘、杏仁……),造成嚴重而且足以讓植物斃命的病徵。木質菌屬(Xylella)的細菌會在植物木質部的導管裡複製,因此堵塞了水份的輸送。缺乏水份的葉片如同烤焦般乾枯,最後落於塵土。

圖一、罹患皮爾斯病而凋萎的葡萄葉片。照片由PD-GWSS/CDFA慷慨提供。

在一八九二年時,加州第一位職業的植物病理學家牛頓.皮爾斯(Newton Pierce),首次描述了這個後來以他的姓氏命名的疾病,可惜他當時並沒有成功的分離出病原菌(葉緣焦枯病菌)。大約在十九世紀末期,一場由皮爾斯病(Pierce’s disease)造成的流行病,在洛杉磯盆地襲捲了上千公頃的葡萄園。南加州因此折損了大量的葡萄栽培產業;這就是為什麼今日加州的葡萄園大多分佈在北部。然而時至今日,除了砍除罹病的植物之外,我們仍然沒有任何治療方法!

皮爾斯病的散播和媒介昆蟲尖頭葉蟬(Sharpshooter leafhoppers)1,2 息息相關。葉緣焦枯病菌棲息在尖頭葉蟬的腸道裡,尖頭葉蟬在吸食葡萄汁液的時候,將細菌傳播到植物的木質部裡。(尖頭葉蟬棲息在北美洲和南美洲,目前沒有在歐洲被發現過,因此歐洲這個「舊大陸」的葡萄園得以倖存。)沿著加州海岸,皮爾斯病的散播則是仰賴藍綠尖頭葉蟬(Blue-green sharpshooter leafhoppers)1,2。隨著緯度越高、冬天越冷,尖頭葉蟬的活動力也隨之降低,皮爾斯病便不再是棘手的問題了。

圖二、葉緣焦枯病菌(Xylella fastidiosa)的桿狀細胞。照片由傑瑞米.沃倫 (Jeremy Warren)慷慨提供。

皮爾斯病在加州造成了超過一個世紀的流行病。然而,到了一九九O年代,一種來自美國東南部的新媒介昆蟲褐透翅尖頭葉蟬 (Glassy-winged sharpshooter)1,2 佔據了加州,而且嚴重惡化了疫情。褐透翅尖頭葉蟬和天然的媒介昆蟲不一樣,牠的吸食習性讓皮爾斯病變成了長期感染。由於皮爾斯病的影響,加州食品農業局在一九九九年資助了一項鉅額的研究計畫,該計畫由加州大學領導,向皮爾斯病的疫情宣戰。在二OO一年到二O一一年期間,由皮爾斯病控制計畫 (Pierce’s Disease Control Program;PDCP))籌備的研討會每年定期舉行,分享最新的研究發展,其中加州大學戴維斯分校的成果功不可沒。

如何才能控制這個疾病?其實方法很多!首先,控制傳播媒介褐透翅尖頭葉蟬。這個方法包括了使用殺蟲劑,但是生物防治似乎更有效。生物防治所釋放的寄生蜂,能在葉蟬的卵尚未孵化以前便將其摧毀,大幅度地降低尖頭葉蟬的族群。這個防治方法在加州大學河濱分校的入侵外來種研究中心研究卓著,他們有一段精采的影片來解釋這個議題:

加州褐透翅尖頭葉蟬危害回顧

另外一種生物防治法是為葡萄接種無毒或弱病原性的葉緣焦枯病菌。這樣的細菌只會在植物身上引發輕微的徵狀,但卻可以保護葡萄樹不被強病原性的菌株殺死。這項研究是由佛羅里達大學唐納德.霍普金斯(Donald Hopkins)的團隊所發現的成果。

許多關於葉緣焦枯病菌的生物學研究仍在進行,希望能從中發現控制這個細菌的新方法。葉緣焦枯病菌的基因體定序也已經在二OOO年完成,基因體的資訊包含了許多這個細菌如何致病的線索。關於葉緣焦枯病菌的分子生物學研究文獻如今已是汗牛充棟,傑出的研究團隊包括了加州大學戴維斯分校的布魯斯.科派翠克 (Bruce Kirkpatrick)、河濱分校的卡洛琳.魯伯(Caroline Roper)和柏克萊分校的史蒂芬.林道 (Steven Lindow)。(Voegel, 2012.

總有一天,我們會找到一個最好的防治方法來阻止葉緣焦枯病菌感染葡萄。但是目前加州沒有任何葡萄品種對皮爾斯病具有抗性。美國東南部有一些帶有抗性的品種,透過育種方法預期將可以讓加州的葡萄更具有抗性。這項計畫已經由戴維斯分校的安德魯.沃克(Caroline Roper)團隊完成,但是對釀酒產業而言,維持傳統的葡萄品種(如卡本內蘇維翁(Cabernet Sauvignon)、黑比諾(Pinot Noir)、夏多內(Chardonnay)等等)是很重要的一環,因為這些品種有良好的葡萄品質,並且滿足了市場的需求。

由於釀酒業者偏好傳統品種,遺傳工程也許可以在傳統育種之外,提供另一種選擇。目前已經有許多不同的轉基因葡萄正在接受皮爾斯病抗性測試,比如在我隔壁實驗室的鄰居,布魯斯.科派翠克團隊,研發了一種會在汁液裡產生凝集蛋白 (Hemagglutinin)的轉基因葡萄。這是一種源自於葉緣焦枯病菌本身的蛋白質,但是功能卻像分子膠水一樣,讓細菌在受到感染的導管裡聚集,並且限制了細菌在植物體內的複製。這株轉基因葡萄品種正在接受測試。

一樣來自戴維斯分校的阿布哈亞 .丹迪卡 (Abhaya Dandekar)引領著另一種有趣的策略。阿布哈亞的團隊研發了一種會在汁液裡辨識葉緣焦枯病菌的複合蛋白。複合蛋白的其中一部分是會辨識細菌外表構造的酵素,而另一部分則是會在細菌細胞膜上打洞的分解胜肽;兩個部分合作的結果可以有效殺死木質菌屬的細菌!這種新興的複合蛋白威力無窮,不只可以對付皮爾斯病,在其他植物或動物的病害上都有發展潛力。(Dandekar, 2012.)

多元化的研究為控制皮爾斯病的方法提供了諸多的選擇。歸功於許多葡萄園的長期努力,妥善的管理並在葡萄罹病初期就立即砍除,目前皮爾斯病的散佈已經受到侷限。但是要將葉緣焦枯病菌從十大要犯的名單中剔除,仍需要很多的努力。加州的科學家們正努力朝著這個方向邁進!

更多詳細資料和影片,請參考皮爾斯病-褐透翅尖頭葉蟬網站(PG-GWSS Board)以及皮爾斯病官方網站(Pierce’ Disease.org)。

參考資料

 

延伸閱讀

  1. 段淑人等。Xylella fastidiosa 的媒介昆蟲生態學與傳病機制。農作物害蟲及其媒介病害整合防治技術研討會專刊,第51-62頁。
  2. 蘇秋竹等。台灣葡萄皮爾斯病及媒介昆蟲研究現況。農作物害蟲及其媒介病害整合防治技術研討會專刊,第25-50頁。
  3. 葉緣焦枯病菌(Xylella fastidiosa。全球入侵外來種資料庫(Global Invasive Species Database )。

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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