梅賽德斯·迪亞茲走進一片泥濘的大豆田，用她精心修剪的明亮指甲撥弄著數十株齊膝高植物的枝條。當她檢查莖、豆莢和葉子時，她喃喃自語地列出了一系列可能的病害：豆莢螟、蛙眼病斑、白黴病。迪亞茲發現一團雜亂的斑駁葉子，喊道：“SDS！”——示意大豆猝死綜合徵。她摘下一片葉子遞給我。我把這片皺巴巴的、手掌大小的葉子翻過來。不規則的孔洞佈滿了它的表面，還有難看的棕色斑點，帶著黃色——這是由SDS真菌產生的毒素造成的，這種毒素在植物體內蔓延，奪走了它的豆莢，並從內向外啃食葉子。SDS是美國主要的作物殺手之一。根據美國大豆委員會的資料，僅在2014年，它就使農民損失了超過6000萬蒲式耳的產量。然而，迪亞茲看到它出現在她的田地裡卻欣喜若狂。
作為一名植物病理學家，迪亞茲是無數研究人員中的一員，他們正在尋找新的方法來保護作物免受威脅並大幅提高產量。2016年，她的團隊將數千種不同的微生物塗在種子上，並將它們與未處理種子的對照地塊一起，種植在整個中西部和南部的50萬個地點。在這些田地的周邊，研究人員設定了哨兵地塊——播種了易受疾病侵襲的品種，這些品種就像煤礦裡的金絲雀一樣，警告可能對其他作物造成的危害。當迪亞茲在哨兵地塊中發現SDS或其他一些枯萎病，而在試驗地塊中沒有發現時，這可能表明微生物正在發揮作用，有助於生產更健康、更豐富的作物。
然而，在這個九月多雨的日子裡，迪亞茲發現試驗地塊和對照地塊都逃脫了哨兵的命運。微生物沒有發揮作用——還是發揮了作用？即使是每英畝高達六蒲式耳的產量提高（大豆的平均產量約為每英畝50蒲式耳）也幾乎不可能用肉眼看出。她將不得不等待植物收穫並分析資料，才能 выяснить 任何微生物是否有所幫助。
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科羅拉多州立大學的植物病理學家簡·利奇說：“我們需要停止尋找靈丹妙藥。” “這不是我們任何一個人可以獨自解決的問題，它將需要非常多樣化的團隊以我們從未合作過的方式共同努力。” 利奇和其他科學家正在倡導一種更全面的方法，這種方法考慮了農場上所有組成部分——植物、土壤、微生物、昆蟲和氣候，統稱為植物群落——如何相互作用以決定作物產量。這個概念可以追溯到19世紀博物學家阿爾弗雷德·羅素·華萊士和查爾斯·達爾文的著作，他們將自然界描繪成一個巨大的、相互關聯的網路，物種不斷適應周圍不斷變化的環境。
以迪亞茲心愛的大豆為例。當昆蟲落在豆葉上時，植物可能會透過根部分泌揮發性化學物質作為反應，反過來，這會改變土壤的微生物組成。然後，這些微生物可能會啟用鄰近植物中的一系列基因，使其高度警惕潛在的攻擊。然而，這種關鍵的植物防禦對各種環境因素很敏感，例如，可能容易受到氣候變化的影響。病原體也有自己驚人的技巧。有些可以像炮彈一樣從葉子表面射出，搭乘氣流從田地到田地，從大陸到大陸。來自雲層的某些高空微生物菌株甚至可以影響天氣，召喚雨和冰雹返回地球。
科學家們幾個世紀以來一直懷疑這種複雜性，但直到最近，技術的進步才使他們能夠繪製這些複雜相互作用的地圖，以期為農業開發更系統、更可持續的解決方案。利用基因測序工具，他們現在可以測量土壤中的所有微生物，甚至包括稀有品種或難以捉摸的菌株，這些菌株在實驗室中無法生長。他們可以追蹤這些微生物群落在空間和時間上的變化，可能是由於肥料的激增或溫度的下降。他們可以記錄微生物、植物和其他生物彼此之間的對話，並嘗試破譯這種化學通訊如何驅動作物生產力和健康。
有一天，農民也許能夠駕駛一輛配備特殊裝置的拖拉機進入田地，對其微生物居民進行全面的普查，以及更典型的“精準農業”測量——例如土壤的溼度水平和養分含量。然後，這些因素可以與先前作物產量、潛在的害蟲和病原體以及預測的天氣模式的資料相結合，以預測哪種種子、養分、化學物質和微生物的組合應該產生最高的產量。
使這一願景成為現實的運動才剛剛開始。2016年，一群多元化的科學家釋出了一項雄心勃勃的計劃，旨在改變農業的未來，即《植物群落：研究與轉化的路線圖》。隨著《路線圖》的釋出，誕生了學術出版物《植物群落》雜誌和植物群落聯盟，這是一個產業界-學術界合作組織，包括十幾個實體——BioConsortia和Indigo等新手以及迪亞茲的僱主孟山都等熟悉的名字。在過去的幾年裡，這些公司投入巨資加大研發力度，爭奪全球農業生物製劑市場的份額，預計到2020年將達到100億美元。
他們認為我們腳下的土地——及其龐大的常駐微生物網路——對這項工作至關重要。土壤中的細菌和真菌可以幫助植物生長、應對壓力、增強免疫反應以及抵禦害蟲和疾病。農民自19世紀後期就開始瞭解其中的一些知識，當時他們開始用根瘤菌處理豌豆和豆類地塊，根瘤菌可以向土壤中新增氮。如今，市場上已經有數十種基於土壤微生物組的產品，而且還有更多產品正在開發中。孟山都與總部位於丹麥的諾維信合作，正在大力押注透過迪亞茲參與的大規模實驗開發的含微生物種子。其他研究人員正在嘗試不同的方法，例如以吸引有益微生物或操縱害蟲-植物通訊的方式改變作物的基因組，以便作物能夠更好地檢測和應對威脅。鑑於植物群落的複雜性，影響的可能途徑是無限的。死衚衕也是如此。挑戰在於及時獲得回報以避免饑荒。
來自地下的筆記
在聖路易斯郊外一小時車程的地方，九月中旬的陽光下，玉米田看起來枯萎蒼白。成片的大豆像1970年代風格的粗毛地毯，染成了鱷梨綠和收穫金的色調。我正與迪亞茲和她的同事前往伊利諾伊州斯托寧頓郊外一個沒有標記的地點。當我踏入一個水坑時，我拿起我的田地地圖副本，上面顯示了數千顆富含微生物的種子的播種地點。這些微生物在富含營養的肉湯大桶中生長，塗在巨型不鏽鋼碗內的種子上，然後冷凍儲存直到播種時。一旦種子發芽，這些微生物就會煥發生機，但接下來會發生什麼取決於構成植物群落的多種因素。
我跟著迪亞茲進入玉米稈迷宮，她向我展示了幾穗覆蓋著粉紅色黴菌、成群結隊的小白蠅的哨兵玉米穗。植物缺乏真正的免疫系統，但它們已經進化出許多應對昆蟲的策略。一些植物可以加厚細胞壁，使入侵者無法穿透，或者它們向根或葉子釋放有毒化學物質，使其變得不那麼可口。尼古丁、咖啡因甚至賦予紅酒澀味的單寧酸都是植物防禦的產物。
幾個世紀的育種和幾十年的基因工程旨在增強植物防禦能力並構建其他有用的性狀，以提高作物產量。例如，美國現在種植的玉米中有一半以上含有一種來自殺蟲細菌——蘇雲金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis），或 Bt——的基因，這種基因使玉米能夠殺死甲蟲幼蟲。現在，科學家們正在尋找其他與植物群落相關的性狀，這些性狀可能有助於促進植物健康。他們發現，植物花費高達30%的能量來吸引合適的微生物並排斥錯誤的微生物。北卡羅來納大學教堂山分校的植物生物學家傑弗裡·丹格爾正在研究改變植物基因組的方法，以進一步培養這種微生物隨從。他最近發現了一種基因，該基因塑造了生活在根部內外的細菌群落，以從土壤中吸收更多的磷酸鹽——一種供應正在減少的養分。
其他植物群落研究側重於對蟲害的抵抗力。通常，當咀嚼昆蟲的唾液中存在稱為激發子的特殊化學物質時，植物可以檢測到害蟲正在活動。賓夕法尼亞州立大學的昆蟲學家加里·費爾頓和他的同事發現，一些甲蟲和毛毛蟲可以透過將腸道微生物吐到葉子上來掩蓋這些洩露資訊的分子，從而欺騙植物，使其反應得好像它沐浴在細菌中而不是被蟲子蹂躪。對微生物的錯誤引導反應實際上破壞了植物防禦昆蟲的能力。最近，費爾頓表明，餵食甲蟲某種細菌會使它們的微生物組發生偏移，以至於它們無法再愚弄植物[見下方方框]。
圖片來源：謝麗·辛寧
下一場綠色革命可能源於塑造植物、害蟲和土壤居民之間對話的任何或所有這些方法。但首先，還有實驗作物要照料，還有大量數字要處理。
2015年夏末，一支機器艦隊從路易斯安那州到明尼蘇達州，從北卡羅來納州到內布拉斯加州的田野中散開，收穫了孟山都-諾維信合作伙伴關係BioAg聯盟種植的每一塊玉米和大豆試驗地塊。來自笨重收割機的資料即時傳輸回孟山都位於聖路易斯的資料中心，以及諾維信位於北卡羅來納州研究三角園的工廠。眾所周知，兩地的科學家都蜷縮在電腦螢幕前，觀看來自田野的數字湧入。“這就像觀看慢動作的賽馬，”孟山都生物技術資料戰略主管斯科特·舍歇爾說。
他們發現最好不要對早期結果抱有太大期望。原始資料可能具有欺騙性，因為它們沒有考慮到可能使特定微生物搶佔先機或使其落後的因素。土壤微生物組可能因地塊而異，甚至在整個田地中也是如此。天氣可能會造成嚴重破壞：種子包衣可能會被早期的雨水沖刷掉，而且有一年，該聯盟因颶風華金損失了數千個地塊。除了50萬個產量點外，該團隊還收集了每個土壤樣本的50種不同測量值。再加上其他植物群落資料，最終您將獲得太位元組的資訊，舍歇爾稱之為“統計學家的嘉年華或噩夢。”
在他的辦公室電腦上，舍歇爾調出了一張美國地圖，地圖上裝飾著紅色和綠色的點，就像一棵聖誕樹：綠色代表提高產量的微生物，紅色代表降低產量的微生物。它們代表了來自五個玉米田的2016年結果。他和他的團隊可以根據土壤和環境特徵、天氣以及昆蟲和疾病壓力來細分資料。他們可以放大SDS水平高的位置，看看是否可以識別出在這些條件下表現出色的任何微生物。
該團隊使用“田地優先”策略，這意味著它跳過了典型的溫室實驗，直接在田地中測試其候選物。因此，研究人員不知道哪些微生物（如果有的話）會帶來優勢。在2014年，即田間試驗的第一年，他們種植了塗有500種不同菌株的種子。90%的微生物失敗了。2015年，他們將2000種微生物投入到競賽中，包括第一年的優勝者。在那次試驗之後，只有少數原始競爭者以及數百名新人留了下來。2016年，科學家們種植了另外2000個菌株，由表現最佳的菌株和一批新招募的菌株組成。在實驗的三年中，最初一輪中只有一種微生物——加上後來幾輪中的數百種——仍然在競爭中。該團隊不是在尋找曇花一現的奇蹟——它想要的是年復一年、在多個田地中表現始終如一的三冠王。
風險業務？
使用全天然微生物——從農田中提取，在實驗室中培養，然後返回農場——可能看起來像是一個無害的提議，沒有與轉基因生物（GMO）相關的爭議。然而，它引發了一些擔憂。擾亂微生物環境可能會影響作物的風味，就像土壤成分影響葡萄酒的味道一樣。一種提高產量的細菌可能具有致病特性，證明對人類健康有害。長期應用植物益生菌可能會改變土壤的自然動態，促進某些微生物的繁殖，同時導致其他微生物滅絕。種子包衣也存在風險，就像許多應用於田地的製劑一樣，可能會從一種作物上脫落並汙染另一種作物。
舍歇爾說，BioAg聯盟努力避免此類問題。它在將微生物菌株引入田地之前，會對其進行一系列測試。它對每個基因組進行測序，以確保該微生物與已知的人類病原體沒有相似之處，並進行其他測試以評估它是否可能對環境有毒或傳播到另一種作物。他和他的團隊定期諮詢美國農業部，該部門決定在特定的微生物物種進行田間試驗之前是否需要許可證。具有良性職責的生物，例如固定氮或溶解磷酸鹽的生物，通常會獲得透過。那些具有更危險工作的生物，例如殺死其他細菌或真菌的生物，則需要更多的文書工作。
愛荷華州立大學植物病理學家、植物群落路線圖的作者之一格溫·比蒂說，在農業研究人員中，更大的擔憂不是新引入的物種會接管或傳播到其他作物，而是它們不會停留足夠長的時間來做很多事情。一勺土壤包含大約500億個微生物，最多可混合10,000種不同的物種。研究人員可以向土壤中新增數百萬個菌株，但不會造成任何影響。“如果你一次向紐約市投入一個人，你投入的大多數人不會改變紐約市，”比蒂說。“這就像微生物群落中的情況一樣。引入生物體很少會產生任何影響，而這實際上是最大的挫敗感。” （人類益生菌產業也面臨著類似的挑戰，該產業旨在增強人體腸道中由數萬億成員組成的微生物群落。其粉末、藥丸和飲料已被推廣用於治療從腹瀉到抑鬱症的各種疾病，但很少有研究表明有任何可衡量的效果。）
儘管如此，孟山都的活動還是引起了公眾的廣泛擔憂，公眾指責該公司危害人類健康、踐踏農民的權利並壟斷食品供應。大多數憤怒都出現在1990年代中期，當時這家農業巨頭推出了一系列轉基因作物。從那時起，出現了兩種對立的說法：一種說法是該公司開發出的種子使產量翻了一番，並英勇地克服了糧食短缺；另一種說法是其產品玷汙了農田並導致癌症。2016年，美國國家科學院完成了可能是有史以來最徹底的轉基因生物審查，發現這兩種說法都不屬實。其報告的結論是，轉基因作物與傳統作物一樣安全食用，但“沒有證據”表明轉基因生物提高了產量進展。
報告表明，轉基因大豆、棉花和玉米的主要好處是“採用這些作物的生產商獲得了有利的經濟成果”。當我詢問科學院令人失望的調查結果時，一位孟山都代表承認，該公司已將其銷售說辭從養活世界轉變為幫助農民以最低的成本獲得最佳產量。孟山都2016年的銷售額總計135億美元，其中近100億美元來自種子，其中許多種子是基因增強的。過去二十年的進步為農民節省了資金，為工業界賺取了利潤，但對更多食物的需求仍然迫切。
明日的收穫
今天在美國農場種植的種子不是您祖父的種子。它們通常攜帶多達14種不同的基因工程性狀，堆疊在一起。這些“堆疊”，正如行業術語所稱，通常伴隨著一系列其他潛在的產量提升產品，包括肥料、除草劑，以及最近的生物製劑，如BioAg聯盟的微生物種子包衣。然而，我們仍然對構成健康作物的因素知之甚少——學術界和政府以及大型農業的科學家都在努力 выяснить 它。
即使在測序技術取得進展的情況下，科學家們也僅識別出土壤中微生物物種的1%。土壤的渾濁性質使得視覺化地下發生的事情變得困難。科學家們不得不求助於破壞性的終點研究——用鏟子剷起幾勺土壤，並對其微生物成分進行粗略調查，就像一個巨人用手在地球上掃過，以捕捉人類的樣本。這種方法可能表明哪些人存在，但不能說明他們在世界天翻地覆之前在做什麼或如何互動。
幾年前，蘇格蘭的一個團隊配製了一種透明的人工土壤，使研究人員能夠窺探與植物根系相關的微生物群落。教堂山分校的微生物學家伊麗莎白·尚克一直在使用這種透明土壤來研究微生物的訊號。這些化學資訊範圍從致命的——70%的抗生素來源於微生物用來互相殺死的代謝物——到有益的——一些微生物使用它們來宣佈它們正在聚集形成生物膜，以便它們可以粘附在根表面。2016年11月，尚克在新墨西哥州聖達菲舉行的植物群落研討會上介紹了她的工作。她解釋說，透過用熒游標記物標記不同的微生物代謝物，她可以觀察到資訊在群落之間傳播，因為它們對諸如種子種植、溫度升高或病原體入侵等事件做出反應。
她的創新可能會產生巨大的回報。也可能不會。許多像尚克這樣的學者正在將其發現授權給企業或創辦自己的初創公司。商業生態系統充滿了新的實體、合作和合並，包括2016年9月拜耳以660億美元收購孟山都。美國政府也加入了這場遊戲。2014年的“農業法案”撥款2億美元成立食品和農業研究基金會（FFAR），以鼓勵學術界-產業界合作。2016年7月，FFAR召集了一組專家，集思廣益，探討如何從植物群落中獲得最大的收益。
植物群落聯盟執行主任凱莉·埃弗索爾說，儘管學術界、政府和產業界可能有著相似的目標，但他們的方法有時是背道而馳的。由於公司對投資者負責，他們可能具有短期的、以利潤為導向的心態。“沒有基礎研究和建立長期的渠道可能會傷害我們，”她說。另一方面，產業界擁有植物學教授只能夢想的資源：在FFAR活動幾天後，孟山都的舍歇爾在美國植物病理學會會議（每年超過1500名植物病理學家參加的聚會）上做了一次演講。當他調出BioAg聯盟田間試驗的地圖時，明尼蘇達大學的植物病理學家琳達·金克爾幾乎從椅子上摔了下來。“如果他們真的收集了50萬個土壤微生物組的資料，那就比我們其他人加起來還要多，”金克爾說。她擔心，“其中有多少科學是我們永遠看不到的？”
利用植物群落來改善作物將需要徹底整合來自不同來源和學科的資訊，但許多相關方並不願意公開。農民不願讓其他人訪問他們在田地裡收集的資料，理由是擔心隱私。BioAg聯盟偶爾會向學術界合作者提供零星的資訊，但舍歇爾表示，它無法分享所有資料，因為孟山都和諾維信必須“保護其競爭優勢”。2017年，該聯盟推出了其首款產品，一種基於玉米田土壤中發現的真菌的微生物種子包衣，在田間試驗中平均每英畝增產三蒲式耳。預測表明，該產品可用於在全球多達9000萬英畝的農田上提高作物產量。