拯救農(nóng)業(yè)的好細(xì)菌

胡雯雯

隨著全球人口越來(lái)越多，食物短缺的問(wèn)題一直考驗(yàn)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(guò)后，有人開(kāi)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(zhǎng)期以來(lái)，由于技術(shù)的限制，人們對(duì)植物和土壤里活躍的大量的微生物一直知之甚少。近年來(lái)越來(lái)越低成本的DNA測(cè)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(lái)幫助農(nóng)作物更好地生長(zhǎng)。

今年春天，美國(guó)的“適應(yīng)性共生技術(shù)”公司將把一種新型種子推向市場(chǎng)。這是市場(chǎng)上第一種含有植物內(nèi)生菌的作物種子。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(shí)，大幅度提高產(chǎn)量，即使是在最?lèi)毫拥姆N植環(huán)境下，農(nóng)作物也能生長(zhǎng)。

“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)家羅德里格斯非常自豪，“人們一直把植物看成獨(dú)立的個(gè)體，就像動(dòng)物一樣。但現(xiàn)在我們開(kāi)始意識(shí)到，植物其實(shí)像人類(lèi)，身上也寄生著億萬(wàn)個(gè)細(xì)小的微生物。這些微生物具有無(wú)限的潛力。與其千辛萬(wàn)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(zhǎng)?！?/p>

植物和微生物之間的互相幫助，并不是個(gè)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(chǎng)之所以會(huì)讓牛生病，是源于牛毛草上寄生的一種菌類(lèi)。有趣的是，這類(lèi)寄生菌纏身的牧草雖然對(duì)家畜不友好，卻也能對(duì)抗象鼻蟲(chóng)的騷擾。這催生了一門(mén)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(duì)抗病蟲(chóng)的侵害。

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(guò)程非常緩慢。比如，在美國(guó)研發(fā)成功并獲準(zhǔn)投放市場(chǎng)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(lái)的，研發(fā)時(shí)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(shí)間就成功了?！稗r(nóng)業(yè)專(zhuān)家們花了一世紀(jì)的時(shí)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。”

美國(guó)羅格斯大學(xué)的研究者懷特對(duì)此很贊同。“許多公司喜歡用化學(xué)手段來(lái)控制農(nóng)作物，它們覺(jué)得微生物是個(gè)礙手礙腳的東西?！?/p>

在植物身上生活的內(nèi)生菌有幾百萬(wàn)種，被識(shí)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(shí)很偶然。這個(gè)世紀(jì)初，他在黃石國(guó)家公園研究耐高溫植物。在地?zé)峥诟浇鼰岷婧娴耐寥乐?，生長(zhǎng)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(gè)共通點(diǎn)，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(kāi)，不論是哪一方，都無(wú)法單獨(dú)在超過(guò)40攝氏度的環(huán)境下生存。更妙的是，這種內(nèi)生菌對(duì)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(duì)抗氧化，所以后者不用把所有能量都拿來(lái)建立防御系統(tǒng)?！?/p>

接下來(lái)，羅德里格斯等人又開(kāi)始研究別的內(nèi)生菌，希望幫助玉米對(duì)抗氣候變化帶來(lái)的其他麻煩。最終的成果，是由半打不同菌類(lèi)組成的混合物，被他們?nèi)∶麨椤癇ioEnsure”。實(shí)際測(cè)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(shí)，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(shí)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(dú)立機(jī)構(gòu)的測(cè)試也表明，這種產(chǎn)品培育的農(nóng)作物是無(wú)毒害的，因此，添加了內(nèi)生菌的種子被美國(guó)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(shuō)的那么好，卻存在著疑問(wèn)。澳洲聯(lián)邦科學(xué)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(chǎn)量。他認(rèn)為，“當(dāng)植物身上寄宿了內(nèi)生菌后，它會(huì)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(shí)驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何代謝消耗的問(wèn)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)家伊托里格正在用能產(chǎn)生海藻糖的菜豆根瘤菌做實(shí)驗(yàn)。他將這種菌接種到豆類(lèi)植物根部后，豆類(lèi)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(yàn)成功了，無(wú)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(méi)法適應(yīng)。但農(nóng)民是不可能預(yù)測(cè)來(lái)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。

西紅柿經(jīng)歷的滅菌戰(zhàn)爭(zhēng)

在炎炎夏日下，洗幾個(gè)西紅柿，用糖霜拌一拌直接吃下，是件清涼愜意的事。但這個(gè)享受有可能要了你的命。2008年，美國(guó)有近千人感染了沙門(mén)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)祝尤皇巧缘奈骷t柿。

FDA的食品安全營(yíng)養(yǎng)中心主任布朗接手調(diào)查時(shí)，覺(jué)得很奇怪，為什么西紅柿的感染是從美國(guó)東海岸開(kāi)始的呢？按理來(lái)說(shuō)，沙門(mén)氏菌多存在于海鷗、海龜、家禽等動(dòng)物的糞便中，它們可能通過(guò)表面水體進(jìn)入種植地，然后感染西紅柿。但這些動(dòng)物在美國(guó)西海岸也同樣有，為什么那里的西紅柿沒(méi)有被感染？

答案是土壤里的微生物。FDA經(jīng)過(guò)取樣測(cè)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(mén)氏菌的作用。雖然東海岸的土壤中也發(fā)現(xiàn)了這類(lèi)細(xì)菌，但數(shù)量遠(yuǎn)低于西海岸，所以沒(méi)能守住防線。

研究員在美國(guó)弗吉尼亞州進(jìn)行了試點(diǎn)研究，大量培育了這種Paenibacillus類(lèi)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(shí)能對(duì)抗沙門(mén)氏菌。布朗宣稱(chēng)，他們會(huì)在2014至2015年在西紅柿種植農(nóng)場(chǎng)大規(guī)模推廣這種方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。如果成功的話，在未來(lái)，哈密瓜、菠菜等容易感染沙門(mén)氏菌和大腸桿菌的作物，也能用上同樣的方法。endprint

同樣，小麥稈銹病是一種由真菌銹菌感染谷類(lèi)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(duì)也寄希望于特定的細(xì)菌來(lái)攻克這些有害的病菌。

細(xì)菌能否代替化肥

微生物除了對(duì)抗病菌和惡劣環(huán)境外，還有其他功效。幾千年前，人類(lèi)就意識(shí)到大豆、花生等豆類(lèi)植物似乎有神奇的魔力，能提高土壤的養(yǎng)分。到了上個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)，寄生在豆類(lèi)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?dú)廪D(zhuǎn)化成含氮的肥料，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

磷同樣是植物生長(zhǎng)不可或缺的養(yǎng)分，但許多熱帶國(guó)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(jià)格飆升，使墨西哥、孟加拉國(guó)等國(guó)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(duì)方法：土壤中生長(zhǎng)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(wèn)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(guó)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(xiǎn)，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(yàn)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(yàn)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(lái)，桑德斯等人還會(huì)比較不同當(dāng)?shù)鼐N對(duì)木薯生長(zhǎng)的影響，并前往非洲六個(gè)國(guó)家進(jìn)行類(lèi)似的試驗(yàn)，希望能解決當(dāng)?shù)氐募Z食短缺問(wèn)題。

（文據(jù)《南都周刊》等）

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（司小能）

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本刊訊 3月19日，位于泉城路東首的濟(jì)南世茂國(guó)際影城SPC巨幕廳舉行了啟幕儀式，為觀眾揭開(kāi)了SPC全景巨幕的神秘面紗。據(jù)悉，這塊SPC銀幕寬達(dá)28米，高達(dá)18米，是目前山東最大的銀幕。

濟(jì)南世茂國(guó)際影城位于泉城央?yún)^(qū)，世貿(mào)購(gòu)物廣場(chǎng)東座3—5層，面積約13000平米，擁有12個(gè)影廳（含2個(gè)巨幕廳），均配備全金屬屏幕，共3016余席座。影城將于近期開(kāi)業(yè)，屆時(shí)將會(huì)開(kāi)啟濟(jì)南電影文化的新視野，帶來(lái)國(guó)際化娛樂(lè)新概念。

（張炎）endprint