真菌或成未來 “生物肥料”

鐘科

科學(xué)家表示，真菌與植物根系之間的“古老關(guān)系”創(chuàng)造了一種促進(jìn)根系生長的基因表達(dá)。某一天，普通的真菌能夠被用作“生物肥料”，進(jìn)而取代即將面臨開采枯竭危機(jī)的磷酸鹽。

新近發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上的研究發(fā)現(xiàn)，真菌與根系之間的互動(dòng)改變了水稻的基因表達(dá)——觸發(fā)額外根系的生長并使水稻吸收更豐富的營養(yǎng)。

除了帶來額外根系的生長之外，在細(xì)胞層面上，細(xì)胞菌根菌也參與了根系生長。真菌長出了薄薄的卷須——菌絲，它們延展到植株周邊的土壤中并吸取營養(yǎng)，特別是磷酸鹽直接進(jìn)入植物細(xì)胞的核心。

被真菌“殖民”了的植物通過菌絲直接獲得了70%～100%的磷酸鹽。這是巨大的礦物質(zhì)的增加，或許最終能減少農(nóng)民為確保最大產(chǎn)量而在田里大量施用磷酸鹽肥的需求。

人們希望，某一天真菌能成為“生物肥料”，從整個(gè)肥料行業(yè)的根基上，最終取代對(duì)磷酸鹽開采的需求。尋找磷酸鹽礦的取代物是關(guān)鍵問題，不僅僅在于該合成肥料是一種污染物——造成藻類的生長從而阻礙水資源供應(yīng)，也是因?yàn)榱姿猁}礦現(xiàn)在正面臨枯竭的節(jié)點(diǎn)——它們被預(yù)計(jì)將在未來30～50年內(nèi)耗盡。

“我們嘗試回答的最大問題是，是否能夠以及如何在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高投入和集約化的條件下，利用這種生物肥料的菌根共生能力。如果要養(yǎng)活不斷增加的人口，我們需要磷酸鹽的替代物。”劍橋大學(xué)植物科學(xué)系博士Paszkowski說。

“大米、小麥和玉米等谷物是世界上最重要的農(nóng)作物，每天喂養(yǎng)數(shù)十億計(jì)的人類。菌根菌與植物之間有共生關(guān)系，這種關(guān)系可以回溯到陸地上植物生命的早期，在植物根系‘創(chuàng)造之前。我們對(duì)這種古老且普遍的共生關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)可以用最好的根系和共生特性來繁殖作物——通過‘設(shè)計(jì)使作物獲得高產(chǎn)出。”Paszkowski說。

這項(xiàng)新研究在分子水平上對(duì)成年水稻植株根系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了測(cè)試，因水稻模型能用于一般的谷物。谷物根系的“建筑”涉及一些被稱為冠根的大的、粗短的根，它們就像腳手架一樣，那些更小的側(cè)根從這里延伸至含有各種營養(yǎng)的不同土壤層中。

研究人員發(fā)現(xiàn)，那些被菌根菌“殖民”了的植株有著不同的基因表達(dá)，使得冠根的細(xì)胞壁軟化，引發(fā)更多側(cè)根生長，從而吸收更多的營養(yǎng)，形成更高產(chǎn)的、更為健康的植株。除了通過菌絲提供磷酸鹽之外，這其實(shí)是作為額外的根系而存在的。作為回報(bào)，真菌從植株中獲取碳水化合物。

“植物的根系具有開拓最廣闊面積的土壤且從中吸收最豐富營養(yǎng)的能力，從而獲取更高的產(chǎn)量。通過找出基因的哪一部分負(fù)責(zé)植株根系，我們可以開始繁殖最好的根系‘建筑。”Paszkowski說，“給農(nóng)作物‘設(shè)計(jì)最好的根系意味著更高的產(chǎn)量，也意味著更多的人被養(yǎng)活。”

水稻在灌溉良好的田中生長最佳，但在世界上的許多地方并沒有這樣的好選擇，全球水稻種植區(qū)40%以上屬于“干旱”。然而，菌根關(guān)系創(chuàng)造的增產(chǎn)效果實(shí)際上在干旱的環(huán)境中表現(xiàn)最好。對(duì)亞洲以及撒哈拉以南非洲那些依賴水稻生產(chǎn)的貧窮地區(qū)，菌根菌能帶來巨大的好處。

對(duì)于研究者而言，要克服的主要障礙是植株的自我調(diào)節(jié)，即與傳統(tǒng)肥料相比，真菌無法在工業(yè)規(guī)模上進(jìn)行試驗(yàn)。

“植株檢測(cè)自己的營養(yǎng)狀況，如果一株植物有足夠的磷酸鹽攝入，它將不允許真菌再進(jìn)入根系。在這個(gè)時(shí)刻，就是非此即彼的選擇。我們正在尋找辦法規(guī)避這種阻礙。”Paszkowski說。