為了養活不斷增長的全球人口，科學家們呼籲在未來40年內將糧食產量翻一番。基因改造似乎是快速提高植物生長和作物產量關鍵特性的最佳方法。然而，來自不同實驗室的新發現表明，真菌、細菌和病毒可能成為提高農業生產力的令人興奮的替代方案。
科學家們早就知道微生物可以與植物共生。例如，菌根真菌與90%的陸地植物有關，它們從根部延伸出來，帶來水分和礦物質，以換取植物碳水化合物。但最近人們在植物細胞本身中發現了微生物，它們似乎賦予植物益處，例如更有效的光合作用和更強的從空氣中固氮的能力。事實上，美國農業部霍爾納達實驗牧場（位於新墨西哥州拉斯克魯塞斯）的生物學家瑪麗·E·盧塞羅認為，植物會積極招募這些微生物，而不是僅僅被動地成為它們的宿主。
在實驗室中，盧塞羅透過將四翅鹽灌木中的真菌轉移到羊草（對放牧牛很重要）中，幫助實現了這種招募。她推測，注入真菌的草長得更大，產生更多的種子，可能是透過改善養分吸收和水分利用。盧塞羅還指出，利用微生物幫助捕獲氮可以減少對化學肥料的需求。她評論說：“用有益真菌接種植物比培育轉基因物種更容易、更有效、成本更低。”
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
美國地質調查局生物資源部（位於西雅圖）的微生物學家拉斯蒂·羅德里格斯正在努力解決另一個農業難題：過熱。為了提高番茄植株抵抗高溫的能力，他在實驗中用從黃石國家公園溫泉附近的植物中提取的真菌接種番茄植株。結果：番茄可以在華氏 148 度下生長。“這大約是三分熟烤肋排的內部溫度，”羅德里格斯指出。
此外，透過分離真菌中的病毒，他發現了一種三方共生關係，這是耐熱性所必需的。“沒有病毒，植物只能承受大約華氏 100 度，”羅德里格斯說。真菌和病毒還將耐熱性傳遞給水稻和小麥，這一過程不僅可以提高產量，還可以幫助農作物抵禦氣候變化的影響。
透過分析來自海灘、沙漠和汙染區域的植物，羅德里格斯還分離出了幫助植物抵抗鹽、乾旱和重金屬的微生物。奇怪的是，從生活在無壓力區域的植物中提取的相同真菌並沒有賦予耐受性。“必須是來自正確棲息地的正確微生物，”羅德里格斯說。從受熱脅迫區域選擇微生物可以提高水稻產量，水稻產量每升高華氏 1.8 度就會下降 10%。然而，一旦獲得，耐脅迫微生物可以透過種子包衣傳遞給植物的後代。
肯塔基大學研究高羊茅草某些物種的植物病理學家克里斯托弗·L·沙德爾觀察到，微生物與植物之間的互惠互利也存在農業缺點。植物中的許多微生物產生具有生物活性的生物鹼，可以驅除昆蟲、鳥類和食草動物。事實上，在 1950 年代初期，放牧牲畜感染了一種與草中生物鹼相關的疾病，稱為羊茅毒素病。它會導致震顫和昏迷，以及厭惡進一步放牧。“這給畜牧業每年造成約 10 億美元的損失，”沙德爾說，並補充說，飼養草飼牛的生產者現在正在播種含有無毒真菌的品種。
識別植物微生物並不容易，因為微生物細胞嵌入在植物組織中。盧塞羅使用掃描電子顯微鏡和新的焦磷酸測序技術來識別植物組織中微生物的 DNA。
羅德里格斯認為，這項密集的工作將透過幫助農民滿足未來的糧食需求而獲得回報。基因改造性狀成本高昂，並非總是有效，並且會引起相當多的消費者抵制。在許多方面，利用植物自身的微生物來提高作物產量可能會更成功。羅德里格斯說：“我們正在嘗試複製自然界的工作方式——不是使用基因，而是使用來自植物自身微生物群落的整個基因組。”