“少肥多产”不是梦

本世纪世界人口的急剧增加将迫使农业生产相应地增加，以确保粮食供应。但是，人类社会现在需要新的、更可持续的和环境友好的生产方法。为了实现这一可持续增长，必须利用新的生物技术工具，例如基因编辑或合成生物学。土壤微生物组正在成为一种强大的生物技术工具。土壤中的有益微生物通过提供营养、产生激素和次生代谢产物来促进植物生长（Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长）。因此，这些微生物将能够以可持续的方式提高农业产量（深度解读：如何操控植物微生物组改善农业？）。

人类与农业，是一种必然的共进化

一万多年前，人类开始改变生活方式，从以游牧为主的狩猎采集者变为定居的农民。农作植物的驯化和利用就是从那时开始的。农业的发展使史前人类稳定了食物供应，从而建立了规模越来越大的人类社区，人口数量明显增多。在历史上，这种人口的高速增长也要求农业生产的相应增加，导致人类发展基本上依赖稳定的农业和畜牧业。这种依赖性转化为 "粮食安全 "需求，是当今社会面临的最困难的挑战之一。

最新估计表明，到2100年，人类人口将增长到110亿。这种增长，加上新兴国家人口的新需求，意味着农业生产将可能增加近50%。所谓的 "绿色革命 "发生在20世纪60年代至80年代之间。它涉及到基因改良的小麦、玉米和水稻新品种的开发和使用，以及新技术、肥料、植物保护产品和灌溉系统的使用。我们目前也面临着类似的威胁。在未来几年，我们必须以更可持续和更环保的方式增加农业生产。目前的农业生产高度依赖化肥、水、杀虫剂和除草剂的使用。然而，我们必须实施新的战略，以经济和环境两方面可持续的方式发展现代农业，以满足社会需求（图1）。

图1. 为了发展可持续的生产性农业并确保粮食稳定，必须制定广泛的国际协定，以平衡社会的需求和舒适度与生产系统的可持续性。为此，不同的社会和政治党派以及参与教育和研究的各方必须作出承诺。

在不断变化的地球上进行可持续生产

氮和磷是植物生长和生产力的两个基本要素。一般来说，农业土壤中这些常量营养素的含量较低，因此有必要以肥料的形式持续供应。然而，农作物对这些养分的吸收率很低，这意味着农民传统上倾向于过度施肥，导致严重的环境问题。

自然界中发现的一些细菌可以固氮，并与某些豆科植物物种建立共生关系（Science | 专家点评：豆科植物结瘤共生的特异性）。在这种共生关系中，细菌为植物提供它们所需的氮，以换取碳水化合物。然而，全球粮食供应最重要的物种（水稻（水稻与根际微生物的关系：亦敌亦友）、玉米（玉米及其根际微生物的进化史）和小麦（Nature子刊 | 最新研究揭示小麦赤霉病“罪魁祸首”—禾谷镰刀菌致病新机理！））无法创造这些共生关系，因此它们的生产力依赖于供应的肥料。近年来，一些研究团队一直在进行一项雄心勃勃的计划，以创造能够自主固氮或与固氮微生物建立共生关系的谷物（PNAS | 英国牛津大学最新研究揭示根瘤菌从根际到共生的生活方式适应机制！）。其中一个研究团队正在尝试将编码氮化酶（一种负责固定大气氮的多酶系统）的基因引入谷物基因组中。这是一个重大的挑战，因为氮化酶的酶组装很复杂，在氧气存在的情况下会迅速降解，所以活性形式只在厌氧细胞环境中起作用。这个项目很复杂，风险很大，但它的成功肯定会产生前所未有的社会和科学影响。

其他研究团队正在试图了解在进化过程中，谷类植物何时失去了建立共生关系的能力，因为参与这一过程的大部分植物基因仍然存在于其基因组中。如果这个项目能够设法改造谷物，允许细菌入侵，同时也为它们提供营养物质（碳水化合物）和血红蛋白--一种携带氧气以保护氮化酶活性的蛋白质--而微生物为植物提供氮气，那么这个项目就可以被认为是成功的（Nature Communications | 新颖而独特的植物碳水化合物受体）。

在这些长期且有风险的项目推进的同时，其他人也在试图识别和改进直接固定土壤中氮的细菌，这也会对作物产生积极影响。最近，52个参与固氮的基因被引入到一种非固氮菌中。这种改良的细菌可以固定大气中的氮，被玉米或小麦根部利用。该研究结果表明，生物技术和合成生物学的使用对于以更可持续的方式实现预期的增产将非常有用（Trends in Biotechnology | 微生物组工程：可持续农业中的植物微生物合成生物学）。

肥料中使用的磷酸盐主要是从磷矿中提取的。目前，这种矿物的最大储量集中在几个国家。中国、摩洛哥、美国和俄罗斯。对化肥的高需求严重减少了可经济开发的磷酸盐储量，其稀缺性将使化肥价格上涨，造成粮食安全问题。

可持续农业需要生物技术解决方案

生物技术的使用将是未来几年实施和发展生产性和可持续农业的关键。为了实现这些目标，我们需要确定和改进我们的作物以及与它们相互作用的微生物（Nature Reviews Microbiology | 专家点评：作物微生物组与可持续农业）。

新的天然品种与基因编辑 农作物的改良历来是以确定具有改良特性的新表型为基础。这些变化通常是由一些个体的自发突变(自然变异)或诱变产生的。这些突变体必须与 "精英 "作物品种进行杂交，才能将所需的特性融入其中。然而，这种基因改良的过程是缓慢而乏味的。尽管如此，我们现在有了生物技术工具，如转基因生物和基因编辑技术，我们可以利用这些工具将这一时间缩短到几年。

最近基因编辑技术的发展，即有针对性地修改生物体的DNA，为我们打开了一扇通往许多可能性的大门。基因编辑工具可以快速、特异地修改植物的基因组，生成表型改进的安全品种。这些植物可以用来增加产量，同时减少化肥和水的使用，增加作物对干旱、霜冻、病原体等的抵抗力。简而言之，它们可以帮助提供一个快速和安全的解决方案，以应对可持续性和人口增长带来的巨大挑战。

微生物 土壤是一个惰性实体，但它却可以容纳大量和多样化的生命。土壤微生物不断与植物相互作用，产生了一个被称为 "根系圈 "的有生命的动态环境。这个空间容纳了丰富的微生物种群，以适应土壤的物理和化学特性以及它所包含的植物类型，从而导致这三个组成部分的共同进化。有益的土壤微生物对农业的影响很大，因为它们在很大程度上决定了农业的结构、植物营养和物质的生产（Current Biology | 新观点：根际微生物通过关键代谢物塑造群落的时空发展与农业生产力！）。这就促进了植物的生长和对植物病原体的监测和控制（ISME | 最新研究揭示根际保护性微生物的富集有利于抑制番茄枯萎病！），防止了病害的发生（图2）。

在植物与微生物的相互作用过程中，根部会分泌富含碳的化合物--占植物光合作用能量的15%-30%---被微生物用作自身生长的碳源。根系层中寄生着大量的微生物(每克土壤中含有数百万种细菌，数千种)。然而，一些不太常见的物种可能在植物适应极端条件的过程中至关重要（Nature | 揭示微生物已经适应了在地球最极端的环境生存）。植物根部还被6000多种真菌物种定植，形成外菌丛或细胞内菌丛（Nat. Commun. | 重磅！Francis Martin团队揭示菌根真菌共生特征趋同进化的分子机制！）。虽然形成菌根的植物种类非常多，但有些植物，如芸香属植物（油菜、花椰菜或模式植物拟南芥）却没有形成菌根。然而，一个团队最近证明了一种真菌Colletotrichum tofieldiae与拟南芥植物之间的相互作用。这种相互作用有利于它们在磷酸盐缺乏条件下的生长。这一发现很重要，因为它表明，由于使用了新的分子技术，有可能在自然种群中发现以前被忽视的广泛的相互作用。

图2. 图中显示的是有益微生物组（左）与病原微生物组（右）。细菌和真菌传统上被认为是会伤害植物的病原微生物。然而，越来越明显的是，土壤微生物组包含许多有益的微生物，它们可以促进植物获取养分并保护植物免受其他病原微生物的侵害。

很难预测一百年后我们的生活方式和生活质量会是什么样子。然而，我们已经意识到我们在未来几十年将面临的挑战。其中之一是粮食安全，它与人口增长密切相关，并受到气候变化、缺水和化肥使用的制约。学术界已经产生了一些知识，我们将能够利用这些知识为发展可持续的精准农业创造生物技术解决方案，以提供优质和充足的食物（图3）。知识和工具已经具备。现在是我们应用这些知识和工具的时候了，以便制定新的农业生产战略，这对实现联合国为未来几年制定的17项可持续发展目标至关重要。

图3.最近的农业技术进步为开发新的施肥方案开辟了新的研究途径，这些方案更可持续、更有效，可以使退化和非生产性的土壤得到再生。虽然现在确认这一点还为时过早，但未来我们可能会有 "精准农业和按需农业"，它将改良的作物、环境传感器和特定的作物-土壤-微生物肥料结合在一起--以较低的经济和环境成本，以更长期和可持续的方式提高生产力。知识已经存在，现在是正确应用的时候了。

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