论文部分内容阅读
随着全球人口越来越多，食物短缺的问题一直考验着科学家们。农药、化肥、杂交、转基因等武器都被使用过后，有人开始打起了微生物的主意，希望靠它们从有限的土地中榨取更多食物。
今年春天，美国的“适应性共生技术”公司将把一种新型种子推向市场。这是市场上第一种含有植物内生菌（Endophytes）的作物种子。根据这家公司的介绍，这种内生菌能帮助大米和玉米在减少浇灌的同时，大幅度提高产量，即使是在最恶劣的种植环境下，农作物也能生长。
“这是植物生态学上的一次飞跃！”该公司的创始人，植物学家罗德里格斯（Rusty Rodriguez）非常自豪，“人们一直把植物看成独立的个体，就像动物一样。但现在我们开始意识到，植物其实像人类，身上也寄生着亿万个细小的微生物。这些微生物具有无限的潜力。与其千辛万苦地将某种抗旱基因转到作物身上，不如让已经具有这种基因的共生菌，跟作物一起生长。”
植物和微生物之间的互相帮助，并不是个新发现。早在几十年前，生物学家就发现植物根茎上生活着一种有固氮作用的细菌。1970年，新西兰的科学家发现，有些牧场之所以会让牛生病，是源于牛毛草（Fescue Grass）上寄生的一种菌类。有趣的是，这类寄生菌缠身的牧草虽然对家畜不友好，却也能对抗象鼻虫的骚扰。这催生了一门新的产业，就是培育带有特定寄生菌的草皮，这样即使人们不喷洒农药，草皮也可以自己对抗病虫的侵害。
但长期以来，由于技术的限制，人们对植物和土壤里活跃的大量的微生物一直知之甚少。近年来越来越低成本的DNA测序和其他分子生物学技术，给科学家们创造了便利的条件，让他们可以近距离地看清这群小生命的世界，并利用其在不同气候、不同环境下的特性，来帮助农作物更好地生长。
杂交育种和转基因育种，都能在作物身上引入有用的基因，只是过程非常缓慢。比如，在美国研发成功并获准投放市场的抗旱农作物，目前只有孟山都公司的“Drought Gard”玉米种子。它的抗旱基因是从一种细菌上提取出来的，研发时间花了几十年。
而利用内生菌，罗德里格斯等人只用三分之一的时间就成功了。“农业专家们花了一世纪的时间，研究怎样用化肥农药把农作物上的微生物去掉。现在我们又反其道而为之。”
美国罗格斯大学的研究者怀特（James White）对此很赞同。“许多公司喜欢用化学手段来控制农作物，它们觉得微生物是个碍手碍脚的东西。”
在植物身上生活的内生菌有几百万种，被识别出的只是一小部分。随便拔起一棵草，它招待的微生物就可能有几百种。罗德里格斯的发现其实很偶然。这个世纪初，他在黄石国家公园研究耐高温植物。在地热口附近热烘烘的土壤中，生长着能耐50摄氏度高温的植物。罗德里格斯发现，尽管形态各异，但这些植物有个共通点，身上都有同一种内生菌。
有趣的是，如果将这种内生菌和植物分开，不论是哪一方，都无法单独在超过40摄氏度的环境下生存。更妙的是，这种内生菌对房东并不挑剔，不论在西瓜还是玉米上，它们都能生活得很惬意。于是，罗德里格斯和同事们研究出了能抗旱抗高温的玉米。“这种内生菌能帮植物对抗氧化，所以后者不用把所有能量都拿来建立防御系统。”
接下来，罗德里格斯等人又开始研究别的内生菌，希望帮助玉米对抗气候变化带来的其他麻烦。最终的成果，是由半打不同菌类组成的混合物，被他们取名为“BioEnsure”。实际测试表明，添加了这种混合物的种子在2012年密歇根大旱中，产量比普通种子要高出85%；在5摄氏度环境下种子发芽率则提高了2—5倍，同时，灌溉量也减少了三分之一。在水稻上面，尽管经历了大旱和播种时的低温，2012-2013年间的水稻产量还是增加了3%-6%，而且灌溉量也比正常情况下减少了25%-50%。其他独立机构的测试也表明，这种产品培育的农作物是无毒害的，因此，添加了内生菌的种子被美国美国食品与药品管理局（FDA）和农业部批准上市了。
大受鼓舞的罗德里格斯等人，决定在小麦、大豆、甘蔗等作物上做同样的尝试。但“BioEnsure”是不是真像他们所说的那么好，却存在着疑问。澳洲联邦科学与工业研究组织（ACSIRO）的理查兹（Richard Richards）一直在堪培拉研究如何提高小麦产量。他认为，“当植物身上寄宿了内生菌后，它会增加新陈代谢的消耗，农作物的产量应该是下降的。”但罗德里格斯反驳：“我们做了15年的田间实验，没有发现任何代谢消耗的问题。”
做这种尝试的还有其他人。墨西哥莫雷洛丝州自治大学的微生物学家伊托里格（Gabriel Iturriaga）正在用能产生海藻糖的菜豆根瘤菌做实验。他将这种菌接种到豆类植物根部后，豆类的产量增加了50%，而且一半作物成功抵御了旱灾，未使用根瘤菌的则全部枯萎死亡。
如果他们的试验成功了，无异于给农民增加了更多控制权。比如，转基因的抗旱植物一旦遇到雨量充沛的年头，可能就没法适应。但农民是不可能预测来年气候的。如果用微生物混合菌剂的话，他们就能根据情况灵活运用了。
在炎炎夏日下，洗几个西红柿，用糖霜拌一拌直接吃下，是件清凉惬意的事。但这个享受有可能要了你的命。2008年，美国有近千人感染了沙门氏菌，他们出现了发烧、腹泻、呕吐等症状，甚至有人住院和死亡。罪魁祸首，居然是生吃的西红柿。
FDA的食品安全营养中心主任布朗（Eric Brown）接手调查时，觉得很奇怪，为什么西红柿的感染是从美国东海岸开始的呢？按理来说，沙门氏菌多存在于海鸥、海龟、家禽等动物的粪便中，它们可能通过表面水体进入种植地，然后感染西红柿。但这些动物在美国西海岸也同样有，为什么那里的西红柿没有被感染？ 答案是土壤里的微生物。FDA经过取样测试，发现西海岸的西红柿种植地里有一种细菌，有抑制甚至杀死沙门氏菌的作用。虽然东海岸的土壤中也发现了这类细菌，但数量远低于西海岸，所以没能守住防线。
研究员在美国弗吉尼亚州进行了试点研究，大量培育了这种Paenibacillus类芽孢杆菌，并将其喷洒在番茄幼苗上。初步的研究表明，这一招确实能对抗沙门氏菌。布朗宣称，他们会在2014至2015年在西红柿种植农场大规模推广这种方法，实现产业化。如果成功的话，在未来，哈密瓜、菠菜等容易感染沙门氏菌和大肠杆菌的作物，也能用上同样的方法。
同样，小麦秆锈病（Wheat rust）是一种由真菌锈菌感染谷类作物引发的疾病，在非洲亚洲比较普遍，曾在中东造成了严重的饥荒和内乱。罗德里格斯团队也寄希望于特定的细菌来攻克这些有害的病菌。
微生物除了对抗病菌和恶劣环境外，还有其他功效。几千年前，人类就意识到大豆、花生等豆类植物似乎有神奇的魔力，能提高土壤的养分。到了上个世纪，科学家们终于发现，寄生在豆类植物上的根瘤菌才是背后的魔术师，它们能将空气中的氮气转化成含氮的肥料，促进植物生长。
磷同样是植物生长不可或缺的养分，但许多热带国家的土壤中这种元素含量极低，只能依靠肥料。2007年和2008年，磷肥价格飙升，使墨西哥、孟加拉国等国发生了大面积的饥荒。
几十年前，研究人员已经发现了一种可能的应对方法：土壤中生长的丛枝根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi），能够围绕植物的根系形成孢子和丝状体，并帮助植物根系获得磷元素。但问题是，这种真菌难以大规模生产和运输。如果直接从国外引进富含丛枝根真菌的土壤，不仅有潜在的生态风险，而且用量惊人。比如，一公顷木薯地就要用一吨富含真菌的土壤才够，这可是不小的成本。
幸运的是，新技术已经让大规模培育真菌成为了可能。瑞士洛桑大学的桑德斯（Ian.R.Sanders）等研究者收集了足够多的丛枝根真菌株后，筛选出效果最好的，将其大规模培育，并高度浓缩在一种固体凝胶中。在试验田里，农民将一易拉罐大小的凝胶溶解在水里，把整麻袋的木薯块茎放进去浸泡数秒，就可以种植了。每公顷土壤只需要一罐菌种溶胶的量。
第一季试验结果表明，这种菌剂能降低一半的磷肥使用量，并将木薯产量提高20%。接下来，桑德斯等人还会比较不同当地菌种对木薯生长的影响，并前往非洲六个国家进行类似的试验，希望能解决当地的粮食短缺问题。
今年春天，美国的“适应性共生技术”公司将把一种新型种子推向市场。这是市场上第一种含有植物内生菌（Endophytes）的作物种子。根据这家公司的介绍，这种内生菌能帮助大米和玉米在减少浇灌的同时，大幅度提高产量，即使是在最恶劣的种植环境下，农作物也能生长。
“这是植物生态学上的一次飞跃！”该公司的创始人，植物学家罗德里格斯（Rusty Rodriguez）非常自豪，“人们一直把植物看成独立的个体，就像动物一样。但现在我们开始意识到，植物其实像人类，身上也寄生着亿万个细小的微生物。这些微生物具有无限的潜力。与其千辛万苦地将某种抗旱基因转到作物身上，不如让已经具有这种基因的共生菌，跟作物一起生长。”
植物和微生物之间的互相帮助，并不是个新发现。早在几十年前，生物学家就发现植物根茎上生活着一种有固氮作用的细菌。1970年，新西兰的科学家发现，有些牧场之所以会让牛生病，是源于牛毛草（Fescue Grass）上寄生的一种菌类。有趣的是，这类寄生菌缠身的牧草虽然对家畜不友好，却也能对抗象鼻虫的骚扰。这催生了一门新的产业，就是培育带有特定寄生菌的草皮，这样即使人们不喷洒农药，草皮也可以自己对抗病虫的侵害。
但长期以来，由于技术的限制，人们对植物和土壤里活跃的大量的微生物一直知之甚少。近年来越来越低成本的DNA测序和其他分子生物学技术，给科学家们创造了便利的条件，让他们可以近距离地看清这群小生命的世界，并利用其在不同气候、不同环境下的特性，来帮助农作物更好地生长。
在恶劣环境下提高产量
杂交育种和转基因育种，都能在作物身上引入有用的基因，只是过程非常缓慢。比如，在美国研发成功并获准投放市场的抗旱农作物，目前只有孟山都公司的“Drought Gard”玉米种子。它的抗旱基因是从一种细菌上提取出来的，研发时间花了几十年。
而利用内生菌，罗德里格斯等人只用三分之一的时间就成功了。“农业专家们花了一世纪的时间，研究怎样用化肥农药把农作物上的微生物去掉。现在我们又反其道而为之。”
美国罗格斯大学的研究者怀特（James White）对此很赞同。“许多公司喜欢用化学手段来控制农作物，它们觉得微生物是个碍手碍脚的东西。”
在植物身上生活的内生菌有几百万种，被识别出的只是一小部分。随便拔起一棵草，它招待的微生物就可能有几百种。罗德里格斯的发现其实很偶然。这个世纪初，他在黄石国家公园研究耐高温植物。在地热口附近热烘烘的土壤中，生长着能耐50摄氏度高温的植物。罗德里格斯发现，尽管形态各异，但这些植物有个共通点，身上都有同一种内生菌。
有趣的是，如果将这种内生菌和植物分开，不论是哪一方，都无法单独在超过40摄氏度的环境下生存。更妙的是，这种内生菌对房东并不挑剔，不论在西瓜还是玉米上，它们都能生活得很惬意。于是，罗德里格斯和同事们研究出了能抗旱抗高温的玉米。“这种内生菌能帮植物对抗氧化，所以后者不用把所有能量都拿来建立防御系统。”
接下来，罗德里格斯等人又开始研究别的内生菌，希望帮助玉米对抗气候变化带来的其他麻烦。最终的成果，是由半打不同菌类组成的混合物，被他们取名为“BioEnsure”。实际测试表明，添加了这种混合物的种子在2012年密歇根大旱中，产量比普通种子要高出85%；在5摄氏度环境下种子发芽率则提高了2—5倍，同时，灌溉量也减少了三分之一。在水稻上面，尽管经历了大旱和播种时的低温，2012-2013年间的水稻产量还是增加了3%-6%，而且灌溉量也比正常情况下减少了25%-50%。其他独立机构的测试也表明，这种产品培育的农作物是无毒害的，因此，添加了内生菌的种子被美国美国食品与药品管理局（FDA）和农业部批准上市了。
大受鼓舞的罗德里格斯等人，决定在小麦、大豆、甘蔗等作物上做同样的尝试。但“BioEnsure”是不是真像他们所说的那么好，却存在着疑问。澳洲联邦科学与工业研究组织（ACSIRO）的理查兹（Richard Richards）一直在堪培拉研究如何提高小麦产量。他认为，“当植物身上寄宿了内生菌后，它会增加新陈代谢的消耗，农作物的产量应该是下降的。”但罗德里格斯反驳：“我们做了15年的田间实验，没有发现任何代谢消耗的问题。”
做这种尝试的还有其他人。墨西哥莫雷洛丝州自治大学的微生物学家伊托里格（Gabriel Iturriaga）正在用能产生海藻糖的菜豆根瘤菌做实验。他将这种菌接种到豆类植物根部后，豆类的产量增加了50%，而且一半作物成功抵御了旱灾，未使用根瘤菌的则全部枯萎死亡。
如果他们的试验成功了，无异于给农民增加了更多控制权。比如，转基因的抗旱植物一旦遇到雨量充沛的年头，可能就没法适应。但农民是不可能预测来年气候的。如果用微生物混合菌剂的话，他们就能根据情况灵活运用了。
消灭坏病菌
在炎炎夏日下，洗几个西红柿，用糖霜拌一拌直接吃下，是件清凉惬意的事。但这个享受有可能要了你的命。2008年，美国有近千人感染了沙门氏菌，他们出现了发烧、腹泻、呕吐等症状，甚至有人住院和死亡。罪魁祸首，居然是生吃的西红柿。
FDA的食品安全营养中心主任布朗（Eric Brown）接手调查时，觉得很奇怪，为什么西红柿的感染是从美国东海岸开始的呢？按理来说，沙门氏菌多存在于海鸥、海龟、家禽等动物的粪便中，它们可能通过表面水体进入种植地，然后感染西红柿。但这些动物在美国西海岸也同样有，为什么那里的西红柿没有被感染？ 答案是土壤里的微生物。FDA经过取样测试，发现西海岸的西红柿种植地里有一种细菌，有抑制甚至杀死沙门氏菌的作用。虽然东海岸的土壤中也发现了这类细菌，但数量远低于西海岸，所以没能守住防线。
研究员在美国弗吉尼亚州进行了试点研究，大量培育了这种Paenibacillus类芽孢杆菌，并将其喷洒在番茄幼苗上。初步的研究表明，这一招确实能对抗沙门氏菌。布朗宣称，他们会在2014至2015年在西红柿种植农场大规模推广这种方法，实现产业化。如果成功的话，在未来，哈密瓜、菠菜等容易感染沙门氏菌和大肠杆菌的作物，也能用上同样的方法。
同样，小麦秆锈病（Wheat rust）是一种由真菌锈菌感染谷类作物引发的疾病，在非洲亚洲比较普遍，曾在中东造成了严重的饥荒和内乱。罗德里格斯团队也寄希望于特定的细菌来攻克这些有害的病菌。
代替化肥
微生物除了对抗病菌和恶劣环境外，还有其他功效。几千年前，人类就意识到大豆、花生等豆类植物似乎有神奇的魔力，能提高土壤的养分。到了上个世纪，科学家们终于发现，寄生在豆类植物上的根瘤菌才是背后的魔术师，它们能将空气中的氮气转化成含氮的肥料，促进植物生长。
磷同样是植物生长不可或缺的养分，但许多热带国家的土壤中这种元素含量极低，只能依靠肥料。2007年和2008年，磷肥价格飙升，使墨西哥、孟加拉国等国发生了大面积的饥荒。
几十年前，研究人员已经发现了一种可能的应对方法：土壤中生长的丛枝根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi），能够围绕植物的根系形成孢子和丝状体，并帮助植物根系获得磷元素。但问题是，这种真菌难以大规模生产和运输。如果直接从国外引进富含丛枝根真菌的土壤，不仅有潜在的生态风险，而且用量惊人。比如，一公顷木薯地就要用一吨富含真菌的土壤才够，这可是不小的成本。
幸运的是，新技术已经让大规模培育真菌成为了可能。瑞士洛桑大学的桑德斯（Ian.R.Sanders）等研究者收集了足够多的丛枝根真菌株后，筛选出效果最好的，将其大规模培育，并高度浓缩在一种固体凝胶中。在试验田里，农民将一易拉罐大小的凝胶溶解在水里，把整麻袋的木薯块茎放进去浸泡数秒，就可以种植了。每公顷土壤只需要一罐菌种溶胶的量。
第一季试验结果表明，这种菌剂能降低一半的磷肥使用量，并将木薯产量提高20%。接下来，桑德斯等人还会比较不同当地菌种对木薯生长的影响，并前往非洲六个国家进行类似的试验，希望能解决当地的粮食短缺问题。