微生物让作物长得更好

导  读

路边新鲜的西红柿好吃，但难免不碰上沙门氏菌！美国食品和药物管理局食品安全和应用营养中心的微生物学主任埃里克•布朗（Eric Brown）开始怀疑: 为什么东海岸是西红柿出问题？沙门氏菌虫可能从地表水和海鸥、海龟、家禽和其他动物的粪便中进入西红柿田。那么为什么西海岸西红柿也不受污染呢？

农业一直是在与庞大微生物群落的一起工作的，农业生物群落的魔力超乎你的想象！土壤中的细菌和真菌会作为大量肥料和杀虫剂的替代品，前景广阔。

原文作者/Richard Conniff

编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员）

来源：https://www.scientificamerican.com/article/microbes-help-grow-better-crops/（2013年9月1日）

原题：Microbes Help Grow Better Crops

版权: Don Foley

简介

作物内外的微生物并不总是会给人类带来疾病。在某些情况下，刚好相反，它们能充当食品安全的哨兵，并为大量投入化肥和农药提供了无害环境的替代品。

在农作物上撒播细菌成为策略成为弗吉尼亚研究人员的一项策略。他们在西红柿幼苗上喷洒抗沙门氏菌的土壤细菌。科学家们希望这种方法可以防止在东海岸种植的生西红柿每年爆发食物中毒。

在哥伦比亚研究人员的项目中，将真菌应用于木薯植物，帮助根系获得磷酸盐，而不需要昂贵的肥料，这在热带国家是一个利好，因为那里土壤中的养分有效性特别低。

路边新鲜的西红柿摊上，切片，闪闪发光，边上还放着盐，胡椒和一点儿橄榄油， 好一个夏季的神圣乐趣。会为它而死？ 或许会。

近十年来，东海岸的公共卫生调查员几乎每年都追查到一到两次沙门氏菌暴发，并发现当地的西红柿是罪魁祸首。这些暴发通常很小，影响到10至100人。然而对于年纪很大和很年轻的人来说，他们可能意味着住院甚至死亡。

几年前，美国食品和药物管理局食品安全和应用营养中心的微生物学主任埃里克•布朗（Eric Brown）开始怀疑: 为什么东海岸的西红柿出问题？沙门氏菌虫可能从地表水和海鸥、海龟、家禽和其他动物的粪便中进入西红柿田。那么，为什么西海岸西红柿也没有被污染呢？

布朗问题的答案来自于对生活在所有植物中和周围的细菌、病毒和真菌群落的仔细检查，科学家称之为微生物群。事实证明，西海岸的西红柿生长于能抑制甚至杀死沙门氏菌的土壤中。当研究人员前往东海岸寻找类似的菌株时，发现这类细菌的数量很少。

因此，在弗吉尼亚的一项试点研究中，FDA一直在慢慢培育其中一种细菌 Paenibacillus，将它们喷洒到番茄幼苗上，在作物上起到了同样的抗沙门氏菌作用。布朗预计到2014年或2015能将这一技术转移给西红柿商业种植户。

将细菌添加到作物中以防止人类疾病可能是一条通往食品安全的全新途径，可能会延伸到西红柿以外的哈密瓜、菠菜、豆芽，以及其他被沙门氏菌和大肠杆菌搞成头条新闻的农作物。基于对土壤中微生物和植物和微生物相互依存的多种方式的新理解，西红柿这样的项目契合了我们种植食物的方式，发生了更为戏剧性的转变。

这几乎与绿色革命截然相反，绿色革命在20世纪中期通过大量化肥、农药和水的投入，极大地提高了农业生产力。相反，微生物革命的目的是利用已经存在的东西: 在一克土壤中，多达4万种微生物物种。直到最近，这个微生物群落—也就是所谓的 "农业生物群落"——在很大程度上还是个谜。但在过去十年中，低成本 DNA 测序和其他技术打开了微生物的秘密世界。植物学家现在可以识别植物周围微生物群落的每一个成员。通过这样做，他们开始了解各种微生物在不同季节和土壤环境中的行为，甚至开始设法来调整它们，以帮助植物更好地生长。

事实上，土壤科学家必须掌握非常多的新信息，以至于破解西红柿沙门氏菌病例的FDA微生物学家Andrea Ottesen在叹息中这样描述，“这一点上就像一个巨大的兔子洞（译注：rabbit's hole源自《爱丽丝梦游仙境》，表达一种复杂的奇异或困难的状态或情境）。”但是 鉴于农业现在面临的巨大挑战：全球水资源短缺，极端和不可预测的天气事件，例如去年（译注：2012年）夏天在美国玉米种植地带发生的毁灭性干旱; 担心化石燃料生产的氮肥的可持续性; 以及在本世纪中叶之前不得不为另外20亿人提供食物，（目前）梳理分析海量新信息来帮助农民种植更好的作物尤为紧迫。

新的研究表明，微生物可以替代现有的农业方法和基因工程，来缓解其中的一些问题。例如，向日葵和其他一些植物天然产生糖海藻糖，这有助于稳定植物细胞膜并减少干燥后再水化时造成的损害。其他植物，包括玉米和马铃薯，已经过基因工程改造以制造海藻糖。然而，墨西哥的分子生物学家Gabriel Iturriaga希望通过使用产生海藻糖的细菌（Rhizobium etli）来最终处理没有任何基因改造的作物，这种细菌是在豆科植物的根部发现的。转基因细菌版本的较早试验表明能使正常条件下的产量提高了50%—并在干旱期间节省了一半的作物。

微生物方法也给农民更多的灵活性。抗旱的转基因植物的一个问题是，它们在潮湿的年份表现不佳。因此，农民在生长季节开始选择种子时，必须努力预测天气。但微生物的混合物可使植物适应（各种天气条件），即使在生长条件突然转变。

西雅图自适应共生技术公司（Adaptive Symbiotic Technologies）的Russell Rodriguez和Regina Redman一直在研究一种植物真菌，它可以使很多粮食作物更耐盐、干旱和极端高温或寒冷。这种真菌在黄石国家公园的热水池附近黍草（panic grass）中长得很好，这里土壤温度高达70摄氏度。只有当这种特殊的真菌存在时，并且只有当真菌含有得一种关键的病毒作为其耐热性的开/关时，黍草才能经受住这股热量。研究人员继续从沙丘到高山斜坡的一系列高压力环境中收集根真菌。

Rodriguez说，其雄心是实现一种融合，在越来越不可预测的条件下可靠地将收益率提高 10% 至 15%。

磷肥战争

其他研究人员正在调整农业生物群落，以帮助植物提供关键养分。当然，数千年来，农民们已经认识到大豆、花生和其他豆类具有几乎神奇的力量来给土壤施肥。此外，一个多世纪以来，科学家们已经知道，事实上，从空气中提取氮的方法并不是植物，而是生活在根部结节中的根瘤菌。

植物也需要磷酸盐，在许多热带国家的土壤中磷酸盐含量特别低。发展中国家的农民往往完全依赖国际磷肥市场。在2007年和2008年，磷肥和其他肥料的价格飙升，导致从墨西哥到孟加拉国发生了粮食骚乱。在一些国家，农民现在只能冒着饥饿的风险完全跳过磷肥。

然而，数十年来研究人员已经知道可能的补救办法。称为丛枝菌根真菌的土壤微生物在植物根内部和周围形成孢子和细丝，并帮助它们获得磷酸盐。但从来没有一个好的方法来批量生产和交付这个好东西。含有能形成新真菌的孢子的土壤实际上可以从一个国家运往另一国，但引入外来真菌作为外来物种对环境的影响仍不确定。而且真菌的孢子浓度如此之低，以至于种植木薯等作物的农民需要以每公顷一公吨的量施用才能肥沃土壤。

在新技术的帮助下，一些公司现在可以在培养基中大量生产真菌，并以高度浓缩的凝胶进行销售。一个农民用一个苏打水瓶就可以携带足够供一公顷土地用的真菌。研究团队可以收集当地的真菌菌株，测试哪些真菌最有前景，然后将它们交给制造商进行生产。瑞士洛桑大学的Ian R. Sanders和哥伦比亚国立大学的Alia Rodriguez去年开始进行实地研究，主要研究木薯，因为木薯是许多发展中国家的主食。

在地里，农民在水桶里稀释凝胶。在种植前，将一袋网状木薯茎浸入水桶中几秒钟。在试验的第一个季节，这种处理减少了一半的磷肥使用量，提高了20％的产量。Sanders和Rodriguez目前正在三种或四种普通木薯品种上杂交多种真菌菌株。他们还测试非洲的菌株，如果成功的话，想将把这一方案扩大到非洲的六个国家，从而使这项技术能够造福于自给自足的农民。

另一个很有希望实现农业共生关系的途径是微生物用来相互交流的化学信号。研究人员对这种交流信号进行监测，以确定哪些细菌可能适合于提供植物养分或发现病原体的弱点。这种策略已经成为一种潜在的武器，可以对抗导致皮尔斯病的细菌Xylella fastidiosa，这种细菌杀死大片的加利福尼亚葡萄。细菌是休眠的，直到它的昆虫宿主 (媒介昆虫the Glassy-winged sharpshooter)以葡萄植物为食。它在植物内部醒来，但是当它被另一只昆虫捕获时，它会再次休眠。

加州大学伯克利分校的史蒂夫 Lindow 说: "基本上，昆虫传播的生活方式与它在植物中移动的能力是不相容的。”Lindow取出病原体用来表示休眠的基因，并将它们拼接到葡萄基因组中。当病原体来了，转入植物的基因会让他表现得好像它是被昆虫捕获一样，使其无害。

未能满足的承诺

过去，农业中的新的微生物方法往往未能在田间取得预期成果，部分原因是缺乏资金将基础研究转化为实际应用。分子生物学家也常常不擅长将他们的知识传授给农民。"这是两个世界的故事，" 荷兰瓦格宁根大学的Ken Giller说，他在非洲工作，改善根瘤菌对固氮豆科植物的利用。他评论说，固氮遗传学的分子研究是 "一个绝对引人入胜的故事"。但与此同时，农民们继续用的还是30年前第一次分离出的细菌菌株来接种他们的植物。Giller说: "这很大程度上是因为科学家们在寻找下一个更精细的细节时，都在拼命地工作，许多有趣的发现并没有被拾起，并被应用到实际中去。

许多撒到地里的产品都是无效的，因为它们没有经过充分的测试，或者因为它们制造不小心，或许是欺诈性的。国际热带农业研究所（IITA）在尼日利亚测试了106种不同的农产用品，其中大部分是微生物。除了五个之外，其他的都没有效果，因为它们没有包含标签上的有效成分，没有足够的有效成分，或者它们在温室和田间试验无法生效。

许多有缺陷的产品来自欧洲、美国和日本。IITA正在培训目标国家的监管机构进行自己的质量测试，而不是接受制造商的结果。该研究所还正在制定一份批准书，让买家知道产品何时符合合理标准。该方案旨在帮助农民不仅了解哪些微生物产品有效，而且在哪里和在什么条件下能发挥作用。

美国微生物学学会主任安•里德（Ann Reid）说，让农民了解农业生物群落的新规则 "将是极其复杂的"，但它也"非常酷"。这意味着要让农民相信他们的工作不是一个简单的投入和产出的工作--这些是水，那些是杀虫剂。相反，要让农民意识到农业一直是在与庞大微生物群落的合作。如果农民和科学家都能正确认识的这一点，我们将离养活一个饥饿的世界又近了一步。

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