【技术大观】从烧瓶到田地：微小的微生物是如何彻底改变大农业的

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在自然界中，植物与生活在其生根区、叶上甚至细胞内的微生物共生在一起。植物为微生物提供碳营养源，微生物为植物提供养分，并有协助预防疾病。Mammoth P是一种微生物产品，释放土壤中被固定的磷，增加磷的吸收和利用，从而提高产量。

原文作者/马修华伦斯坦（Matthew Wallenstein）(科罗拉多州立大学可持续农业创新中心副教授兼主任)
编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员）
来源：https://theconversation.com/from-flask-to-field-how-tiny-microbes-are-revolutionizing-big-agriculture-67041（2017年1月26日），英文题目为：From flask to field: How tiny microbes are revolutionizing big agriculture

通过释放土壤中的磷，微生物可以帮助像甜菜这样的植物吸收磷并促进生长

当你在美国或者英国的超级市场看到琳琅满目新鲜食品和加工食品，你可能很难想象到，在大多数工业化国家，粮食生产是我们未来几十年将面临的最大挑战之一。

到2050年，人口预计将从75亿增长到近100亿。这意味着，为了养活我们，需要在短短三十年内将粮食产量翻一番，而所有这一切都面临着越来越严重的干旱、抗除草剂和抗农药等等问题。与此同时，这个世界上最好的农田都已经被开垦种植。

20世纪60年代到80年代，被统称为绿色革命的国际行动大幅度增加了粮食产量，背后主要是通过大规模种植能够利用人造肥料，并开发强大杀虫剂和除草剂的作物品种。但随着农业集约化的加强，这种农业生产也加大了对环境的影响，包括土壤侵蚀、生物多样性减少以及驱动气候变化的温室气体释放等。

今天，我们已经很难再持续推动这些系统年复一年生产出更多农作物的能力，也不能跟上食物需求增加的步伐。显然，需要新一轮的创新来改变我们食物的种植方式并使其更具可持续性。

我是利用天然微生物的力量来改善农业的新作物的科学家之一。近年来，基因组技术迅速提高了我们对生活在地球上所有表面（包括我们自己的身体）上的微生物的认识。

正如我们对人类微生物组的新认识正在彻底改变医学并衍生出新的益生菌产业一样，农业也可能面临类似的革命。

来自华盛顿东部山腰土壤的微生物。

太平洋西北国家实验室/ Flickr，CC BY-NC-SA

用生物替代化学：微生物的力量

在自然界中，植物与生活在其生根区、叶上甚至细胞内的微生物共生在一起。植物为微生物提供碳营养源，微生物为植物提供养分，并协助预防疾病。但随着我们越来越多地施用化学物质耕作土壤，大量的被杀死有益生物，破坏了植物和微生物之间的密切联系。

几年前，我决定将我在土壤微生物方面的专业知识应用于改善农业。真没想到，我的灵感来自于医生在使用人类粪便移植治疗一种慢性的，且常常被称为艰难梭状芽胞杆细菌（Clostridium difficile）感染的疾病中获得的惊人成功。

通过简单地移植健康人的粪便微生物群，疾病得到治愈，而且是彻底根治！那么，同样的方法可以用于农业吗？

我与科罗拉多州立大学的密切合作者科林贝尔博士一起着手开发微生物技术，以提高土壤中磷的有效性率。磷是植物生长需要的的关键营养元素，农民通过施肥来为植物提供磷，但是当磷肥施入土壤时，高达70％的磷会被土壤颗粒所固定，植物无法吸收。

微生物可将磷和其他微量营养元素释放出来，供植物利用。我们开发了四种细菌的组合，这些细菌非常适合将磷释放出来，让植物生长得更大、更健康。他们通过破坏磷和土壤颗粒之间的键来实现被专性吸附的分子释放。

为了将这项技术交给可以使用它的农民的手中，我们创办了一家名为Growcentia的创业公司，并开始销售我们的第一种产品，名为Mammoth P.

Mammoth P是一种微生物产品，它通过释放土壤颗粒中重要的营养物质磷而增加植物生长，以便植物能够将其吸收并利用。Growcentia作者提供

并不只是我一个人认为微生物可以帮助养活这个世界。许多其他创业公司正在研究用于食品生产的微生物技术，包括AgBiome，Indigo，Maronne BioInnovations和New Leaf Symbiotics等。

世界上最大的农业公司也在大力投资生物解决方案，例如孟山都公司最近投资3亿美元与生物技术公司NovoZymes结盟。为什么农业大佬要进入微生物的圈子？部分原因是这些公司意识到化学农业造成的问题，并希望在将来在这个领域占一席之地。很明显，他们看到了通过给农民提供新工具能更来钱，还能更有效地生产粮食并减少对地球的影响。

Growcentia专注于增加营养效率和吸收的土壤微生物，但微生物还可以通过许多其他方式增强农业。一些公司专注于商业化微生物，这些微生物已被证明可以抑制植物对干旱的反应，出乎意料地确保植物继续在干燥条件下生长。

其他公司正在开发让植物免受疾病和害虫侵害的微生物产品，微生物甚至可以影响开花的时间。总而言之，微生物具有无限可能之感。

漫想开来

长期以来有益微生物一直用于农业。数十年来农民们一直将固氮细菌添加到豆科植物中、添加共生真菌到作物中来增加作物吸收养分。但许多较旧的产品含有不明确的微生物，并广泛声称他们的产品如何如何能促进植物生长。在很大程度上他们赢得了农业“狗皮膏药”的赞誉。而这段历史导致很难说服农民采用下一代有益的微生物技术。
 

农民用根瘤菌处理土壤或豆类种子，这些细菌可以从空气中获取氮并供给植物利用，氮是植物必需的营养元素。细菌在植物根部形成根瘤。

照片：Terraprima / Wikipedia，CC BY-SA

直到最近，我们才能用传统方法观察和研究在实验室中易于培养的微生物物种，这只是微生物世界的一小部分。但是现在我们有了开发微生物技术的新方法，这些技术针对特定功能菌。

我们可以使用高通量筛选方法或通过测序或功能检查其基因，以发现具有特定属性的微生物。同时也可以利用基因工程菌生产具有符合我们需求的新菌株，或者我们甚至可以从头开始合成全新的物种。

能在实验温室中生产有益微生物能够促进的植物生长是一回事，更大的挑战是能开发大规模生产的微生物技术，并在恶劣的条件下长时间运输和储存，直到在广泛的土壤和气候条件下得以完美运作。

因为这些原因，许多正在开发的产品在投入到农民田间之前还有很长很长的路要走。

拥抱微生物世界

当人们想到微生物时，他们中的许多人会描绘成细菌和疾病。 但大多数微生物都是有益的，而且我们实际上离不开它们。

长久以来，我们忽视了农业中健康微生物群的带来益处。人们对有益微生物在粮食生产中应用的兴趣骤然高涨，预示着农业对化学品的依赖性降低。

粮食的未来出路在于我们的脚下这个不可见的微生物世界中。

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