好細(xì)菌拯救農(nóng)業(yè)

隨著全球人口越來越多，食物短缺的問題一直考驗著科學(xué)家們。農(nóng)藥、化肥、雜交、轉(zhuǎn)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。

今年春天，美國的“適應(yīng)性共生技術(shù)”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(nèi)生菌（Endophytes）的作物種子。根據(jù)這家公司的介紹，這種內(nèi)生菌能幫助大米和玉米在減少澆灌的同時，大幅度提高產(chǎn)量，即使是在最惡劣的種植環(huán)境下，農(nóng)作物也能生長。

“這是植物生態(tài)學(xué)上的一次飛躍！”該公司的創(chuàng)始人，植物學(xué)家羅德里格斯（Rusty Rodriguez）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(xì)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(zhuǎn)到作物身上，不如讓已經(jīng)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(xué)家就發(fā)現(xiàn)植物根莖上生活著一種有固氮作用的細(xì)菌。1970年，新西蘭的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有些牧場之所以會讓牛生病，是源于牛毛草（Fescue Grass）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(chǎn)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(nóng)藥，草皮也可以自己對抗病蟲的侵害。

但長期以來，由于技術(shù)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(xué)技術(shù)，給科學(xué)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(nóng)作物更好地生長。

在惡劣環(huán)境下提高產(chǎn)量

雜交育種和轉(zhuǎn)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(zhǔn)投放市場的抗旱農(nóng)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(xì)菌上提取出來的，研發(fā)時間花了幾十年。

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

美國羅格斯大學(xué)的研究者懷特（James White）對此很贊同?！霸S多公司喜歡用化學(xué)手段來控制農(nóng)作物，它們覺得微生物是個礙手礙腳的東西。”

在植物身上生活的內(nèi)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(jì)初，他在黃石國家公園研究耐高溫植物。在地?zé)峥诟浇鼰岷婧娴耐寥乐校L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(nèi)生菌。

有趣的是，如果將這種內(nèi)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(nèi)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(nèi)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)。”

接下來，羅德里格斯等人又開始研究別的內(nèi)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?nèi)∶麨椤癇ioEnsure”。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(chǎn)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(jīng)歷了大旱和播種時的低溫，2012-2013年間的水稻產(chǎn)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(jī)構(gòu)的測試也表明，這種產(chǎn)品培育的農(nóng)作物是無毒害的，因此，添加了內(nèi)生菌的種子被美國美國食品與藥品管理局（FDA）和農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)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(xué)與工業(yè)研究組織（ACSIRO）的理查茲（Richard Richards）一直在堪培拉研究如何提高小麥產(chǎn)量。他認(rèn)為，“當(dāng)植物身上寄宿了內(nèi)生菌后，它會增加新陳代謝的消耗，農(nóng)作物的產(chǎn)量應(yīng)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。”

做這種嘗試的還有其他人。墨西哥莫雷洛絲州自治大學(xué)的微生物學(xué)家伊托里格（Gabriel Iturriaga）正在用能產(chǎn)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(chǎn)量增加了50%，而且一半作物成功抵御了旱災(zāi)，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(nóng)民增加了更多控制權(quán)。比如，轉(zhuǎn)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(yīng)。但農(nóng)民是不可能預(yù)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(yùn)用了。

消滅壞病菌

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?zhǔn)?，居然是生吃的西紅柿。

FDA的食品安全營養(yǎng)中心主任布朗（Eric Brown）接手調(diào)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(jìn)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(jīng)過取樣測試，發(fā)現(xiàn)西海岸的西紅柿種植地里有一種細(xì)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(xì)菌，但數(shù)量遠(yuǎn)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(jìn)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(nóng)場大規(guī)模推廣這種方法，實現(xiàn)產(chǎn)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?。╓heat rust）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(yán)重的饑荒和內(nèi)亂。羅德里格斯團(tuán)隊也寄希望于特定的細(xì)菌來攻克這些有害的病菌。

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(jì)，科學(xué)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(shù)師，它們能將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化成含氮的肥料，促進(jìn)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(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種可能的應(yīng)對方法：土壤中生長的叢枝根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi），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(chǎn)和運(yùn)輸。如果直接從國外引進(jìn)富含叢枝根真菌的土壤，不僅有潛在的生態(tài)風(fēng)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(yùn)的是，新技術(shù)已經(jīng)讓大規(guī)模培育真菌成為了可能。瑞士洛桑大學(xué)的桑德斯（Ian.R.Sanders）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(nóng)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(jìn)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(jié)果表明，這種菌劑能降低一半的磷肥使用量，并將木薯產(chǎn)量提高20%。接下來，桑德斯等人還會比較不同當(dāng)?shù)鼐N對木薯生長的影響，并前往非洲六個國家進(jìn)行類似的試驗，希望能解決當(dāng)?shù)氐募Z食短缺問題。