高粱如何在乾旱環境一枝獨秀?

因氣候變遷,世界各國的農民都面臨缺水、土地退化與汙染等危機。高粱(Sorghum bicolor)是許多乾旱國家重要的作物,由於其優異的抗逆境能力,亦有「駱駝作物」的美名。有研究成果顯示,高粱的抗旱能力,除了過往了解的機制外,還可能與土壤中的矽相關。後續的多項研究亦證實,在作物的土壤中添加植物可吸收的矽肥,可以減輕環境及生物造成的壓力。

撰文|何郁庭

近年來全球旱澇災頻仍,極端氣候災害越來越常見,除了造成停班停課、交通不便之外,氣候事件所造成的農業損害,更是攸關食物安全的大問題,光是民國110年的農作物損失金額,就高達156億元新台幣1

 

具有抗旱能力的作物:高粱

前陣子一則新聞報導2,今年(2022)夏天歐洲面臨極端高溫,在法國巴黎的小麥、玉米因為缺水歉收的同時,一名農夫的高梁田卻結實累累,綠油油的景觀與附近的田地相差甚遠。根據報導敘述,種植高粱所需的水分更少、更永續,需要的肥料也更少;受訪的農民甚至認為「高粱讓新形態農業成為可能」。

影片|受訪農人庫埃特的高粱田。來源:https://youtu.be/l9BuoxljcCQ。

高粱(Sorghum bicolor)與玉米、水稻、大麥、小麥一樣,是禾本科(Poaceae)的植物,原產於非洲,其後被引進熱帶與亞熱帶地區栽植。根據台灣行政院農業委員會的資訊3,民國110年全台種植高粱的面積約1,911公頃,總收成量達2,146噸,栽種面積毫不意外的是金門縣(種植面積1,749公頃,收成量1,613噸)。

雖然對台灣人來說,說到高梁,最知名的就是金門高粱酒,但實際上,許多國家以高粱當作主食;除了食用及釀酒的用途外,高粱也有動物飼料、生質燃料等功能。高粱的成分除了澱粉外,還包含鉀、磷、鎂、鈣、維生素B群及維生素E等4。雖然現在全球產量不及玉米及小麥,但在可見的未來,極端氣候似乎只會越趨嚴峻;尋找適合在惡劣環境中栽種的作物,將會是農產業其中一項重要的目標。

但是,高粱到底有哪些秘密在身上?又是如何被認為具有抗逆境的潛力呢?

 
高粱耐旱的黑科技

一般認為,高粱之所以可以承受乾旱逆境,有複數原因:高粱的光合作用為C4循環類型;葉片與莖稈被蠟質覆蓋;高度發展的根系;遇到乾旱逆境會捲曲葉片等。

不過,研究者並沒有因為上面提到的機制就滿足,他們想知道高粱到底具備了怎樣的特性,抗旱能力才能超越其他禾草類作物,甚至獲得「駱駝作物」的美譽。為了找出更根本的原因,2002年,一個對不同高粱品種進行解剖構造的研究,試圖找出不同耐旱能力高粱的差異;根據他們的觀察結果,

高粱耐旱的秘密,很可能與「矽」大有關係。

 

首先,他們發現高粱具有 矽化(silicification) 的特性,高粱的根系與地上部都會累積矽;根系累積的位置在內皮(endodermis)上,且會聚集成球狀,地上部的矽則會聚集在葉表皮細胞的外側與花序的苞片上(內外穎及內外桴),葉表上矽含量高的啞鈴型特化細胞(idioblasts),則稱為矽細胞。

接著,根據高粱明顯矽化的部位,該研究比較了耐旱能力較強的品種「Gadambalia」,與對乾旱相對敏感的品種「Tabat」,比較二者的矽含量與矽化明顯的部位,是否有所不同。根據結果,Gadambalia不但乾重的矽含量比例Tabat較高,在掃描式電子顯微鏡的拍攝下,矽化構造的量與形態也有明顯可辨的差異。

圖二|二品種高粱的內皮與葉表皮掃描式電子顯微鏡照片。A: 栽培品種Gadambalia的內皮內側;B: 栽培品種Tabat的內皮內側;C: 栽培品種Gadambalia的葉表皮;D: 栽培品種Tabat的葉表皮。圖A箭頭處為矽聚集的構造,sc為葉表皮啞鈴形狀的矽細胞。比例尺=10 µm。來源:文獻1

 

矽是植物的耐旱法寶?

承接前面的研究,同一個研究團隊後續利用添加矽肥的實驗,證明高粱植株內的矽含量,可以提高對乾旱的抗性;這項驚人的結果,讓其他研究者也投入心力,深入探討矽與耐旱性之間的關係,研究材料也從一開始的高梁,擴展到其他的作物,甚至是牧草。

經過許多學者的理論、實驗與證據,目前,矽幾乎已經被確定為可以減輕逆境壓力的重要元素,雖然過去並不認為矽是植物的必須營養素,可是自千禧年以來的研究,各種證據都顯示,矽的重要性不亞於傳統認定的氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素。

綜觀而論,矽不但可以促進高粱在逆境環境下根系的生長,還能調節植株體內的植物荷爾蒙濃度,藉以降低鹽化土壤對植物的威脅;此外,在土壤中增加植物可以吸收的矽元素,還能降低重金屬離子對植物的毒害,甚至可以藉由矽來減輕其他非生物性壓力。

圖三|墨西哥農田中的高粱。來源:valog - iNaturalist

 

把目光拉回最初提到的氣候變遷,其實除了尋找適宜在惡劣環境栽種的作物外,開發更新且更永續的農法,也是同樣重要的任務。世界上每年平均有1-2%的土地,因為土壤鹽鹼化而變得無法再耕作,所以即便沒有明顯極端的氣候事件,我們居住的環境仍然不停在改變。

不論是耐旱作物也好,更加有效的肥料也罷,屬於下一代的永續農業,都是我們需要去開創,也要逐漸習慣與面對的。或許哪一天,我們飯桌上的主食,會悄悄的被高粱替代也說不一定。

 

註釋:

  1. 農業統計年報(110年)第十章 農業災害【農業災害產物及民間設施估計損失】 https://agrstat.coa.gov.tw/sdweb/public/book/Book.aspx
  2. 中央社《夏季極端高溫 法國農人改種高粱開創利基市場》2022-08-15 https://www.cna.com.tw/news/aopl/202208150329.aspx
  3. 農業知識入口網 https://kmweb.coa.gov.tw/theme_data.php?theme=production_map&id=100
  4. 衛生福利部食品藥物管理屬食品營養成分資料庫(新版)  https://consumer.fda.gov.tw/food/tfndDetail.aspx?nodeID=178&f=0&id=86

 

參考文獻:

  1. Lux A, Luxová M, Hattori T, Inanaga S, Sugimoto Y. (2002) Silicification in sorghum (Sorghum bicolor) cultivars with different drought tolerance. Physiol Plant. 115(1):87-92.
    doi:10.1034/j.1399-3054.2002.1150110.x.
  2. Hattor Ti, Inanaga S, Araki H, An P, Morita S, Luxová M, Lux A (2005) Application of silicon enhanced drought tolerance in Sorghum bicolor. Physiol Plant.123(4):459-466.
    https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2005.00481.x
  3. Rizwan, M., Ali, S., Ibrahim, M. et al. (2015) Mechanisms of silicon-mediated alleviation of drought and salt stress in plants: a review. Environ Sci Pollut Res 22, 15416–15431 .
    https://doi.org/10.1007/s11356-015-5305-x
  4. Hassan Etesami, Byoung Ryong Jeong (2018) Silicon (Si): Review and future prospects on the action mechanisms in alleviating biotic and abiotic stresses in plants. Ecotoxicology and Environmental Safety. 147:881-896.
    https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.09.063.
  5. 農業知識入口網-臺灣高粱產業發展與展望概述  2021-07-14
    https://kmweb.coa.gov.tw/knowledgebase.php?id=412242
  6. 農業知識入口網-高粱
    https://kmweb.coa.gov.tw/theme_data.php?theme=production_map&id=100
  7. 衛生福利部食品藥物管理屬食品營養成分資料庫(新版)
    https://consumer.fda.gov.tw/food/tfndDetail.aspx?nodeID=178&f=0&id=86
  8. 中央社《夏季極端高溫 法國農人改種高粱開創利基市場》2022-08-15
    https://www.cna.com.tw/news/aopl/202208150329.aspx
  9. 農業統計年報(110年)第十章 農業災害【農業災害產物及民間設施估計損失】
    https://agrstat.coa.gov.tw/sdweb/public/book/Book.aspx



 

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