微生物新增到種子中可以提高作物產量

內森·庫德開啟一個標有 Q8R 的白色特百惠容器的頂蓋，裡面裝著他在一年中要處理的數百個美國農田樣本之一。 裡面深棕色的土壤看起來毫無生機，但諾維信公司的微生物學家庫德微笑著說出他最喜歡的一句話之一：一勺土壤包含大約 500 億個微生物，代表多達 10,000 個不同的物種。 容器中生物體的數量超過了地球上曾經生活過的人口總數。

土壤細菌和真菌群落對植物至關重要。 它們幫助植物從土壤中吸收養分和礦物質，甚至可以擴充套件根系，從而更容易獲取食物和水分。 它們還有助於植物生長、應對壓力、增強免疫反應並抵禦病蟲害。

現在，農業公司的科學家們正在像淘金者一樣在泥土中挖掘，以找到能夠使特定作物生長得更好的確切微生物。 農業綜合企業諾維信和孟山都公司正透過用微生物包衣種子、在美國各地的農場種植並收穫作物以觀察其生長情況，從而引領潮流。 這兩家公司透過其 BioAg 聯盟，剛剛結束了世界上最大的用有前景的微生物浸泡種子的田間試驗計劃。 去年秋天，他們收穫了各種作物，這些作物是用超過 2,000 種不同的微生物包衣的種子種植的，生長在從路易斯安那州到明尼蘇達州的大約 50 萬個試驗田裡，他們一直在忙於分析結果。 他們將於今天公佈初步結果。 但在釋出任何調查結果之前，他們讓《大眾科學》先睹為快他們的運營情況和他們的願望。

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最終，這些微生物農業產品可以顯著減少化肥和農藥的使用，減輕農業對環境造成的負擔，並透過降低成本或提高作物產量來潛在地幫助農民的盈虧底線。 這項研究是一個雄心勃勃的運動的開始，旨在用微生物學取代農業中的化學。

田間試驗是關鍵。“沒有什麼能將溫室結果轉化為田間結果，”諾維信公司生物農業研究副總裁兼庫德的老闆托馬斯·舍費爾說。 “由於田地非常複雜，我們必須直接在田地裡測試[種子]。”

日益增長的需求
據預測，到 2050 年，世界人口將達到 90 億。 隨著更多人口需要餵養，農業產量將不得不幾乎翻一番。 氣候變化無濟於事：乾旱、洪水、鹽度上升和土壤侵蝕正在造成更加惡劣的生長條件。 許多害蟲和病原體正在產生對農藥的抗藥性。 化學肥料只能部分解決問題，一些研究表明，它們會汙染地下水，可能導致人類疾病，並加劇河流和海洋中有害藻類的大量繁殖。 科學家們希望微生物能夠提供一種可行的替代方案。

這種解決方案也可能改變大型農業公司的經濟狀況。 今天，根據該聯盟的資料，農業生物製品（如天然害蟲防治、植物提取物和有益昆蟲）的市場約為每年 29 億美元 [2016 年 1 月 7 日更新]——僅佔傳統化肥和農藥帶來的 2400 億美元的一小部分。 孟山都認為微生物市場可能會大幅增長。 與其他農業產品相比，微生物具有更快的開發週期和更少的監管障礙，其他農業產品從構思到上市可能需要 10 到 14 年。 而且，如果廣泛使用減少了對化肥和農藥的依賴，那就可以緩解公眾對工業化農業的擔憂。

生物農業的概念並不新鮮。 1888 年，荷蘭微生物學家馬丁努斯·貝傑林克發現，豆科植物的根部居住著一種名為根瘤菌的細菌，它可以從空氣中吸收氮並將其轉化為植物可以利用的形式。 從那時起，農民和園丁們一直在他們的豌豆和豆類上撒上成包的粉狀根瘤菌。 其他微生物也一個接一個地被轉化為產品，如生物殺菌劑和生物農藥。 但直到最近，新的 DNA 測序工具才使研究人員能夠看到生活在植物根部、根部上和根部周圍的巨大而複雜的微生物群落，即根際。 美國微生物學會 2012 年撰寫的一份報告，題為微生物如何幫助養活世界，認為利用這種資源可以產生“以經濟可行和生態負責任的方式提高任何作物在任何環境中的生產力”的產品。

棘手的部分是弄清楚首先要研究根際中數十億個成員中的哪一個。 諾維信派出研究團隊從私人農場收集土壤樣本，然後將樣本帶回位於北卡羅來納州研究三角園區的公司實驗室，像庫德這樣的科學家在那裡處理這些樣本。 儘管每個樣本可能包含數十億到數萬億個微生物，但只有約 1% 的微生物會在實驗室中生長。 那些生長的微生物通常以令人眼花繚亂的形狀和顏色出現在培養皿中：靛藍色的細條紋、芥末黃色的液滴、木炭灰色的模糊星號、巨大的血紅色球狀物。 每個微生物的基因組都被測序（解碼）並與已知病原體的資料庫進行比對； 任何匹配項都會被丟棄，而其餘的則進入下一階段。

研究人員測試剩餘的競爭者，看看它們是否可以用作以下兩種用途之一：接種劑（幫助植物吸收養分）或生物防治產品（幫助植物抵抗疾病和害蟲）。 一項測試檢查微生物是否幫助植物根系更好地吸收養分（如氮）或分解無機土壤磷酸鹽，以便植物可以利用它們。 另一項測試評估最終入圍者是否可以提供針對植物病害或害蟲的保護。 例如，寄生線蟲每年給全世界的植物造成超過 1200 億美元的損失。 諾維信公司的動物學家詹妮弗·佩蒂特向我展示了一個培養皿，裡面充滿了這些肉眼幾乎看不見的微小蠕蟲。 她在培養皿中添加了有希望的微生物批次，以確定是否有任何微生物可以麻痺或殺死這些討厭的害蟲。

裝有最佳微生物候選者的試管被運到街對面的另一個諾維信實驗室，在那裡，它們在裝滿各種配方的濃肉湯的大燒瓶中生長，肉湯的顏色從淡黃色到琥珀色再到幾乎黑色不等。 諾維信公司的微生物生理學家比爾·特朗德塞特告訴我，燒瓶的確切內容是商業機密，“就像可口可樂的配方一樣”。 所有微生物都不是轉基因或工程改造的； 相反，它們是從土壤樣本中提取和培養的。 在每個批次在其最喜歡的培養基中培養後，都會對其進行冷凍儲存和儲存，就像卵子或精子儲存在銀行中一樣。 當春天到來並將它們應用於種子時，它們需要保持活力和健康，這樣當種子發芽時，它們就可以在植物紮根後立即成為根際的一部分。 “我們基本上每年只有一個實驗，所以我們必須做對，”特朗德塞特說。

在生長季節開始前不久，微生物被運往位於聖路易斯的孟山都工廠，在那裡，它們像巨大的爆米花容器一樣，在大型不鏽鋼碗中噴灑到種子上。 2014 年，孟山都在大約 17 萬個試驗田上種植了用數百種不同微生物菌株包衣的種子，試驗田的大小從 3 英尺 x 3 英尺到 3 英尺 x 10 英尺不等。 2015 年，該公司將試驗規模大幅擴大，在約 50 萬個試驗田上測試了 2000 多種微生物。 在每個試驗田旁邊，該公司都種植了一個沒有微生物包衣種子的對照田，在美國南部和中西部地區形成了棋盤效應。

每英畝更多蒲式耳
2015 年 10 月和 11 月，研究人員收穫了作物，並開始計算資料，以確定哪些微生物（如果有的話）產生了影響。 2000 種包衣中的許多種被證明沒有效果。 但排名前五的包衣使玉米產量平均每英畝增加了 4 到 5 蒲式耳，大豆產量平均每英畝增加了 1.5 蒲式耳。北卡羅來納大學教堂山分校研究植物微生物組的科學家傑夫·當格爾說，早期結果“看起來很棒”，但他沒有參與這些實驗。 “然而，通常田間試驗必須進行七年，人們才會相信它們。 因此，結論尚無定論。 在我們看到幾年的資料後，我們才能更全面地瞭解哪些微生物在做什麼。”

儘管如此，該聯盟表示，它計劃在 2017 年推出這五種微生物中的一種作為產品——一種基於在玉米田土壤中發現的真菌的接種劑。 諾維信公司的舍費爾承認，即使經過所有實驗室測試，他和他的同事在選擇將哪些微生物送到田間時仍然是在進行有根據的猜測。 他希望經過多輪田間測試，表現最佳的微生物年復一年地迴歸，從而出現一些模式，幫助他們預測哪些微生物菌株將使特定作物受益。 該聯盟將在 2016 年再次對數千個菌株進行田間測試。

將微生物釋放到新的環境中——尤其是當最終產品註定要擺上我們的餐桌時——可能會引起擔憂，其中一些擔憂比其他擔憂更合理。 例如，當格爾說，擾亂微生物環境可能會影響特定作物的味道，就像已知土壤的成分會影響葡萄酒的風味一樣。 種子包衣也存在風險，就像許多應用於田地的製劑一樣，它可能會從一種作物上脫落並汙染另一種作物。 然而，一些支持者認為分享這些“植物益生菌”沒有缺點，他們說這些益生菌充其量會對其他作物有益，最壞的情況是沒有任何效果。

艾姆斯市愛荷華州立大學生物學教授、美國微生物學會報告的撰稿人之一格溫·比蒂多年來一直關注諾維信的努力。 她認為，最大的擔憂不一定是新引入的微生物會生長並傳播到其他作物，而是它們可能無法停留足夠長的時間來首先完成它們的工作。 “我的比喻是，如果你[一次]扔一個人到紐約市，你扔進去的絕大多數人都不會改變紐約市。 偶爾會有一個人會改變世界，但這不太可能發生，”比蒂說。 “微生物群落也是如此。 引入生物體幾乎沒有任何影響，而這實際上是最大的挫敗感。” 因此，她認為，始終需要化學農藥和化肥，但隨著微生物的加入，用量可能會減少。

微生物組的短暫性是諾維信和孟山都目前正在對包衣在種子上的微生物進行田間測試的原因之一，而不是使用噴霧劑或根部浸泡等其他應用。 在植物發芽和出苗時對其進行處理，即使效果是短暫的，也可能使它們在生長過程中走上更健康的軌道。 儘管舍費爾很想找到一種重磅微生物，但他的科學家們也開始意識到，更大的好處可能來自一組協同工作的微生物。 一克土壤中就有數千種物種，可能的組合是無窮無盡的。 目前，他們正在逐個測試這些物種，他們將等到他們有足夠強大的關於單株的資料後再測試組合。

儘管面臨挑戰，舍費爾仍然認為，微生物有望對現代農業產生持久的影響。 現有的微生物產品，如 諾維信的 Met52（一種限制葡萄象鼻蟲的真菌），已經用於數百萬英畝的土地； 如果種子包衣取得成功，這個數字可能會躍升。 這兩家公司認為，到 2025 年，生物農業產品將用於多達 5 億英畝的土地，即美國 50% 的農田。 “像孟山都、拜耳、先正達和巴斯夫這樣的公司正在研究微生物，因為他們相信[這項技術]有潛力減少化學品的使用，讓我們生活得更可持續，”舍費爾說。

瑪拉·布羅德富特是北卡羅來納州溫德爾市的自由撰稿人，擁有遺傳學博士學位。