NO.3为什么极小的微生物对农业意义重大
作者：王大拿
发布日期：2017-11-23
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在去年二月，寒冷的冬日。Maren Friesen驱车八小时横跨冰雪覆盖的平原，来到了宾夕法尼亚州的森特罗利亚。1961年，小镇下面的煤层开始燃烧，持续了六十多年。这片荒地可谓是热气腾腾、浓烟滚滚——它是解开“世界粮食供给之谜”的关键。
Friesen是一位微生物学家，他在这片诡异的高温土壤里寻找着可生存的微生物。这些不起眼的细菌有一种特殊能力——让田地生长出更多农作物。
十多年前，德国科学家就描绘过这种难以捉摸的细菌，即嗜热放线菌（Streptomyces thermoautotrophicus）。这些细菌有一种特殊的本领，可以把空气中的氮转化成植物可用的氮，甚至在有氧气存在的情况下。并且，通常来说，氧气会破坏那些释放氮气的细菌酶。这一过程被称为“固氮运动”。
但是，在我们初次发现这些细菌的踪影之后，它们就消失不见了。如果能再次找到它们，那么这种能力就可以应用到那些通常无法固定氮的植物上，农民们就可以用更少的化肥种植更多的作物。
而且这只是其中一种能改变农业生产的细菌。在我们脚下，数以百万计的微生物都是改善农业的工具，还尚未开发。这些微生物能让土壤变得肥沃，帮助植物生长；科学家们希望能利用它们，或者至少借用它们的能力来提高作物产量。
现在，无论是大学里的研究者还是主要的农业公司都在寻找利用土壤细菌的新方式。一些人希望能用微生物的基因开展植物基因工程，或者种植一些与有益土壤微生物相结合的作物，从而改变微生物群落的集合，来促进植物生长。一些创业公司和知名公司正在竞相售卖微生物混合物和所谓的生物制剂来做到这一点。
Friesen承认，用细菌的技巧来改造植物的想法听起来很大胆——虽然很冒险，但其前景非常广阔。这就是重点。第一次绿色革命始于20世纪50年代，让农作物的产量几乎翻了一番。
“如果我们能利用微生物的能力，为种植业固定住大气中的氮，”她说：“那将有可能促成第二次绿色革命。”
大豆根瘤上的固氮细菌。固氮细菌（如大豆根瘤所示）能够把空气中的氮转化为植物可利用的形式。
寻找失踪的微生物
今年早些时候，Friesen和实验室的研究人员Jeff
Norman在山坡上发现了一个活跃的排气口，那里的雪因为受热而融化。地面摸上去很热，四溢的羽毛状烟云中可检测出一氧化碳——这里正是他所期待的“新大陆”。他们用封口袋采集了土壤样本，希望能捉住细菌猎物。
从某种意义上说，这种消失的微生物意味着远古微生物关系的转变。豆科植物——例如豆子、大豆、苜蓿、花生和豌豆——已经和根部的固氮微生物一起生活在舒适的共生关系里。植物根部的分泌物可以保护这些细菌躲开氧，因为氧会抑制它们的固氮能力；植物还会为微生物提供碳，以此来换取氮。这也就是为什么长久以来，农民会种植这些作物让土壤变得更加肥沃。但全世界的“口粮”，包括玉米、小麦和稻谷，完全缺乏这种在根部培养细菌帮手来恢复土壤肥力的能力。
这就是嗜热放线菌的特殊之处。它们和其他的固氮细菌不一样，它们可以在有氧环境中施展神力，这极大地扩展了人类可利用的植物种类。这可能意味着固氮的关系可以延伸到玉米、稻、小麦，以及全世界的大部分粮食作物。
今天，农民们使用的氮比自然界提供的要多得多，且依赖于20世纪的一项发明：哈布二氏法。这种方法能把氮从空气中提取出来，制成合成肥料。这种把氮气转化为氨的工业生产过程代价高昂且效率低下（占世界年度能源供应总额的2%），且占人类食用蛋白质的全部氮含量的40%。
Friesen的项目想为这个“老大难”的问题带来一个激进的新方法。“从很多方面来说，植物微生物是一片未知的领域，直到现在，它仍然处在我们的视野之外。” 土壤学家Wayne Parrott说。
在炙热的地下找到这些难以捉摸的细菌只是第一步。第二步将涉及到复杂的生物工程：找到细菌在含氧条件下起到固氮作用的基因，然后把它们结合到植物身上，这样植物就可以生成与其相同的特性。
“我不想留下这样的印象，即如果找到了一种新的酶，就把它放进作物内，突然之间，所有人都抛弃了肥料种植，”Friesen说：“这个研究转化的过程需要很多时间。”
Friesen认为，宣布这一重大发现还言之过早。“即使它并不存在，只是相似，但我们终究无法确定它们是否真实存在？我们要不抱成见，以现实的态度对待可能发现的事物。”
红花菜豆含有固氮细菌的根瘤。红花菜豆一类的豆科植物的根部有隆起物，或者叫小瘤。这些小瘤庇护着厌氧细菌——它们可以把大气中的氮转化成植物可利用的形式。科学家们希望能利用喜氧细菌，把这种能力发展到非豆科植物上。
微生物养活全世界
对于研究人员来说，土壤微生物为提高其他方面的产量提供了新的机会——通过避开特定的应力，例如害虫和疾病，来改善营养的获取渠道，或者减少复合氮肥的需求。
土壤具有多样性和丰富性，令人难以置信。而叶子的细胞数量庞大，达到了100乘以一千的八次方（10^26），叶子所覆盖的细胞表面积也是最大的，这无疑让天文学相形见绌。
Jack A. Gilbert说（伊利诺斯州阿贡国家实验室的研究院兼地球微生物组计划的领导人，Earth Microbiome Project），“发掘大规模（大部分未被利用）的资源潜力很有前景。地球微生物组打算记录下丰富多种的微生物种类”。
“这能帮助我们种植更顽强、更有弹性的植物，”Gilbert说：“但我们需要做更多的工作，来描绘作物与微生物之间的关系。”
就像人体内的微生物——数十万亿的微生物生活在我们体内——作物的不同部分形成了不同的微生物群体。比如在某些植根的周围，有约30,000种微生物。它们混杂在不同的植物品种和土壤中。
然而，对于它们的情况我们知之甚少。“人类研究肠道细菌的时间更长，投入更多”，教堂山北卡罗来纳大学的研究者Jeff Dangl说，他研究的是生活在植物根部的微生物。“如果你问：‘为什么100多种不同的菌落类群可以进入根部且一直生活在那里？’答案是，我们一无所知。”
同样地，Dangl认为，这将会是一项挑战：若想解开植物微生物之间的相互作用之谜，并防止真菌感染和杀死作物，如小麦全蚀病。那么，掌握可利用的混合微生物，就等于拥有了一次良好机会，因为至少其中一种是有用的”，他说道。
在威斯康星州，人们会在玉米地里间种苜蓿和大豆。长久以来，农民们会把豆类作物和非豆类作物混种在一起，来提高土壤的肥力（如上图，豆类苜蓿和大豆就和非豆类的玉米种植在一起）。豆类作物所庇护的细菌可以为作物提供必须的养分：氮元素。
生物制品的繁荣
微生物的利用已经成为一项大生意。有多种形式的新型生物制剂：一些可以用来喷洒，就像化学农药、除草剂或是杀虫剂。来自于天然微生物的喷雾和种衣剂也同样可以作为催化剂，用于提高营养摄取量、刺激作物增长。
对于农民来说，促进植物的健康生长并不是简单的事情；他们需要预测足够的产量来确定额外的费用，就像投资银行的Piper
Jaffray在最近所做的贸易报告中说，“在很多方面，工业正在紧随着类似20世纪80年代种子行业的方式：等待一个拳头产品来打开未来几十年的的持续增长。”
例如，上个月，Monsanto和Novozymes在爱荷华州发布了“转型的生物产品”，这种产品在试验田里提高了玉米和大豆的产量。
最近几年，Bayer掌握了一种细菌种子处理技术，叫做Poncho/VOTiVO；Syngenta购买了一家公司，用细菌种子涂层控制大豆上的线虫，这种涂层对寄生虫来说是有毒的。其他针对真菌生物的手段可以提高玉米的抗旱能力。这些进步并不会取代基因改造或者传统育种，但面对日益增长的人口来说，这将是很好的辅助手段。
Pam Marrone是与Monsanto一起工作的昆虫学者，现在是加州戴维斯Marrone生物创新公司的CEO，他从土壤细菌着手，开发出了新的农药，可以对抗一系列的昆虫和螨虫。她告诉我，生物制剂最终会被认为是农业发展中的第二件大事。她说：“我们真的是在临界点。”
她还说，尽管我们的药物中有40%到50%来自于大自然，比如源于植物和微生物，但农药方面只占11%。“在药物世界中，有很多生物探勘者。只有很小一部分农药来自于大自然，这就意味着我们还有很多机会。”
