拯救農業(yè)的好細菌

隨著全球人口越來越多，食物短缺的問題一直考驗著科學家們。農藥、化肥、雜交、轉基因等武器都被使用過后，有人開始打起了微生物的主意，希望靠它們從有限的土地中榨取更多食物。

長期以來，由于技術的限制，人們對植物和土壤里活躍的大量的微生物一直知之甚少。近年來越來越低成本的DNA測序和其他分子生物學技術，給科學家們創(chuàng)造了便利的條件，讓他們可以近距離地看清這群小生命的世界，并利用其在不同氣候、不同環(huán)境下的特性，來幫助農作物更好地生長。

今年春天，美國的“適應性共生技術”公司將把一種新型種子推向市場。這是市場上第一種含有植物內生菌的作物種子。根據(jù)這家公司的介紹，這種內生菌能幫助大米和玉米在減少澆灌的同時，大幅度提高產量，即使是在最惡劣的種植環(huán)境下，農作物也能生長。

“這是植物生態(tài)學上的一次飛躍！”該公司的創(chuàng)始人，植物學家羅德里格斯非常自豪，“人們一直把植物看成獨立的個體，就像動物一樣。但現(xiàn)在我們開始意識到，植物其實像人類，身上也寄生著億萬個細小的微生物。這些微生物具有無限的潛力。與其千辛萬苦地將某種抗旱基因轉到作物身上，不如讓已經具有這種基因的共生菌，跟作物一起生長?！?/p>

植物和微生物之間的互相幫助，并不是個新發(fā)現(xiàn)。早在幾十年前，生物學家就發(fā)現(xiàn)植物根莖上生活著一種有固氮作用的細菌。1970年，新西蘭的科學家發(fā)現(xiàn)，有些牧場之所以會讓牛生病，是源于牛毛草上寄生的一種菌類。有趣的是，這類寄生菌纏身的牧草雖然對家畜不友好，卻也能對抗象鼻蟲的騷擾。這催生了一門新的產業(yè)，就是培育帶有特定寄生菌的草皮，這樣即使人們不噴灑農藥，草皮也可以自己對抗病蟲的侵害。

在惡劣環(huán)境下提高產量

雜交育種和轉基因育種，都能在作物身上引入有用的基因，只是過程非常緩慢。比如，在美國研發(fā)成功并獲準投放市場的抗旱農作物，目前只有孟山都公司的“Drought Gard”玉米種子。它的抗旱基因是從一種細菌上提取出來的，研發(fā)時間花了幾十年。

而利用內生菌，羅德里格斯等人只用三分之一的時間就成功了。“農業(yè)專家們花了一世紀的時間，研究怎樣用化肥農藥把農作物上的微生物去掉?，F(xiàn)在我們又反其道而為之?！?/p>

美國羅格斯大學的研究者懷特對此很贊同。“許多公司喜歡用化學手段來控制農作物，它們覺得微生物是個礙手礙腳的東西?！?/p>

在植物身上生活的內生菌有幾百萬種，被識別出的只是一小部分。隨便拔起一棵草，它招待的微生物就可能有幾百種。羅德里格斯的發(fā)現(xiàn)其實很偶然。這個世紀初，他在黃石國家公園研究耐高溫植物。在地熱口附近熱烘烘的土壤中，生長著能耐50攝氏度高溫的植物。羅德里格斯發(fā)現(xiàn)，盡管形態(tài)各異，但這些植物有個共通點，身上都有同一種內生菌。

有趣的是，如果將這種內生菌和植物分開，不論是哪一方，都無法單獨在超過40攝氏度的環(huán)境下生存。更妙的是，這種內生菌對房東并不挑剔，不論在西瓜還是玉米上，它們都能生活得很愜意。于是，羅德里格斯和同事們研究出了能抗旱抗高溫的玉米?！斑@種內生菌能幫植物對抗氧化，所以后者不用把所有能量都拿來建立防御系統(tǒng)?！?/p>

接下來，羅德里格斯等人又開始研究別的內生菌，希望幫助玉米對抗氣候變化帶來的其他麻煩。最終的成果，是由半打不同菌類組成的混合物，被他們取名為“BioEnsure”。實際測試表明，添加了這種混合物的種子在2012年密歇根大旱中，產量比普通種子要高出85%；在5攝氏度環(huán)境下種子發(fā)芽率則提高了2—5倍，同時，灌溉量也減少了三分之一。在水稻上面，盡管經歷了大旱和播種時的低溫，2012-2013年間的水稻產量還是增加了3%-6%，而且灌溉量也比正常情況下減少了25%-50%。其他獨立機構的測試也表明，這種產品培育的農作物是無毒害的，因此，添加了內生菌的種子被美國食品與藥品管理局（FDA）和農業(yè)部批準上市了。

大受鼓舞的羅德里格斯等人，決定在小麥、大豆、甘蔗等作物上做同樣的嘗試。但“BioEnsure”是不是真像他們所說的那么好，卻存在著疑問。澳洲聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（ACSIRO）的理查茲一直在堪培拉研究如何提高小麥產量。他認為，“當植物身上寄宿了內生菌后，它會增加新陳代謝的消耗，農作物的產量應該是下降的?！钡_德里格斯反駁：“我們做了15年的田間實驗，沒有發(fā)現(xiàn)任何代謝消耗的問題?！?/p>

做這種嘗試的還有其他人。墨西哥莫雷洛絲州自治大學的微生物學家伊托里格正在用能產生海藻糖的菜豆根瘤菌做實驗。他將這種菌接種到豆類植物根部后，豆類的產量增加了50%，而且一半作物成功抵御了旱災，未使用根瘤菌的則全部枯萎死亡。

如果他們的試驗成功了，無異于給農民增加了更多控制權。比如，轉基因的抗旱植物一旦遇到雨量充沛的年頭，可能就沒法適應。但農民是不可能預測來年氣候的。如果用微生物混合菌劑的話，他們就能根據(jù)情況靈活運用了。

西紅柿經歷的滅菌戰(zhàn)爭

在炎炎夏日下，洗幾個西紅柿，用糖霜拌一拌直接吃下，是件清涼愜意的事。但這個享受有可能要了你的命。2008年，美國有近千人感染了沙門氏菌，他們出現(xiàn)了發(fā)燒、腹瀉、嘔吐等癥狀，甚至有人住院和死亡。罪魁禍首，居然是生吃的西紅柿。

FDA的食品安全營養(yǎng)中心主任布朗接手調查時，覺得很奇怪，為什么西紅柿的感染是從美國東海岸開始的呢？按理來說，沙門氏菌多存在于海鷗、海龜、家禽等動物的糞便中，它們可能通過表面水體進入種植地，然后感染西紅柿。但這些動物在美國西海岸也同樣有，為什么那里的西紅柿沒有被感染？

答案是土壤里的微生物。FDA經過取樣測試，發(fā)現(xiàn)西海岸的西紅柿種植地里有一種細菌，有抑制甚至殺死沙門氏菌的作用。雖然東海岸的土壤中也發(fā)現(xiàn)了這類細菌，但數(shù)量遠低于西海岸，所以沒能守住防線。

研究員在美國弗吉尼亞州進行了試點研究，大量培育了這種Paenibacillus類芽孢桿菌，并將其噴灑在番茄幼苗上。初步的研究表明，這一招確實能對抗沙門氏菌。布朗宣稱，他們會在2014至2015年在西紅柿種植農場大規(guī)模推廣這種方法，實現(xiàn)產業(yè)化。如果成功的話，在未來，哈密瓜、菠菜等容易感染沙門氏菌和大腸桿菌的作物，也能用上同樣的方法。

同樣，小麥稈銹病是一種由真菌銹菌感染谷類作物引發(fā)的疾病，在非洲亞洲比較普遍，曾在中東造成了嚴重的饑荒和內亂。羅德里格斯團隊也寄希望于特定的細菌來攻克這些有害的病菌。

細菌能否代替化肥

微生物除了對抗病菌和惡劣環(huán)境外，還有其他功效。幾千年前，人類就意識到大豆、花生等豆類植物似乎有神奇的魔力，能提高土壤的養(yǎng)分。到了上個世紀，科學家們終于發(fā)現(xiàn)，寄生在豆類植物上的根瘤菌才是背后的魔術師，它們能將空氣中的氮氣轉化成含氮的肥料，促進植物生長。

磷同樣是植物生長不可或缺的養(yǎng)分，但許多熱帶國家的土壤中這種元素含量極低，只能依靠肥料。2007年和2008年，磷肥價格飆升，使墨西哥、孟加拉國等國發(fā)生了大面積的饑荒。

幾十年前，研究人員已經發(fā)現(xiàn)了一種可能的應對方法：土壤中生長的叢枝根真菌，能夠圍繞植物的根系形成孢子和絲狀體，并幫助植物根系獲得磷元素。但問題是，這種真菌難以大規(guī)模生產和運輸。如果直接從國外引進富含叢枝根真菌的土壤，不僅有潛在的生態(tài)風險，而且用量驚人。比如，一公頃木薯地就要用一噸富含真菌的土壤才夠，這可是不小的成本。

幸運的是，新技術已經讓大規(guī)模培育真菌成為了可能。瑞士洛桑大學的桑德斯等研究者收集了足夠多的叢枝根真菌株后，篩選出效果最好的，將其大規(guī)模培育，并高度濃縮在一種固體凝膠中。在試驗田里，農民將一易拉罐大小的凝膠溶解在水里，把整麻袋的木薯塊莖放進去浸泡數(shù)秒，就可以種植了。每公頃土壤只需要一罐菌種溶膠的量。

第一季試驗結果表明，這種菌劑能降低一半的磷肥使用量，并將木薯產量提高20%。接下來，桑德斯等人還會比較不同當?shù)鼐N對木薯生長的影響，并前往非洲六個國家進行類似的試驗，希望能解決當?shù)氐募Z食短缺問題。

（文據(jù)《南都周刊》等）

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（張炎）