路邊攤新鮮的西紅柿，切片後晶瑩剔透，只用鹽、胡椒和少許橄欖油調味——這是夏天神聖的享受。值得為之而死？可能吧。
在過去十年左右的幾乎每一年，東海岸的公共衛生調查人員都追蹤到一到兩次沙門氏菌爆發，並將本地西紅柿確定為罪魁禍首。這些疫情通常規模較小，影響 10 到 100 人。然而，對於非常年老和非常年幼的人來說，它們可能意味著住院甚至死亡。
幾年前，美國食品和藥物管理局食品安全與應用營養中心微生物學主任埃裡克·布朗開始思考：為什麼是東海岸的西紅柿？沙門氏菌細菌可能從地表水以及海鷗、海龜、家禽和其他動物的糞便進入番茄地。那麼為什麼西海岸的西紅柿也沒有受到汙染呢？
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布朗問題的答案來自對生活在所有植物內部和周圍的細菌、病毒和真菌群落（科學家稱之為微生物組）的仔細檢查。事實證明，西海岸的西紅柿在抑制甚至殺死沙門氏菌的土壤細菌的陪伴下生長。當研究人員去東海岸尋找類似的菌株時，他們發現了它們，但數量較少。因此，在弗吉尼亞州進行的一項試點研究中，美國食品藥品管理局一直在培育這些本地細菌之一Paenibacillus的種群，將其噴灑到番茄幼苗上，並在作物上獲得相同的抗沙門氏菌效果。布朗預計將在 2014 年或 2015 年將該工藝推廣到商業番茄種植者。
向農作物新增細菌以預防人類疾病可能是食品安全全新途徑的開始，可能會從西紅柿擴充套件到香瓜、菠菜、豆芽和其他成為沙門氏菌和大腸桿菌頭條新聞的農作物。番茄專案符合我們種植食物方式的更劇烈轉變，這種轉變基於對土壤中微生物的新認識以及植物和微生物相互依賴的多種方式。
這幾乎與綠色革命相反，綠色革命在 20 世紀中期透過大量投入化肥、農藥和水，大幅提高了農業生產力。微生物革命的目標是利用已有的東西：一克土壤中有多達 40,000 種微生物。直到最近，這個微生物群落（可以稱為“農業生物群落”）在很大程度上還是一個謎。但在過去十年中，低成本 DNA 測序和其他技術打開了微生物的秘密世界。植物學家現在可以識別出植物周圍微生物群落的每一個成員。透過這樣做，他們已經開始瞭解各種微生物在不同季節和土壤環境中的行為方式，甚至開始設計方法來調整它們以幫助植物更好地生長。
事實上，土壤科學家必須應對如此多的新資訊，以至於破解番茄沙門氏菌病例的美國食品藥品管理局微生物學家安德里亞·奧特森嘆了口氣，將其描述為“目前有點像一個巨大的兔子洞”。但是，鑑於農業現在面臨的巨大挑戰，整理這些豐富的新資訊以幫助農民種植更好的作物似乎尤為緊迫：全球缺水；極端和不可預測的天氣事件，例如去年夏天美國玉米帶的毀滅性乾旱；對用化石燃料生產的氮肥可持續性的擔憂；以及到本世紀中葉不得不養活額外 20 億人口的前景。
新的研究表明，微生物可以為現有農業方法和基因工程提供替代方案，以緩解其中的一些問題。例如，向日葵和其他一些植物自然產生海藻糖，這有助於穩定植物細胞膜並減少乾燥和隨後的補水迴圈造成的損害。包括玉米和土豆在內的其他植物已經過基因工程改造，可以製造海藻糖。然而，墨西哥的分子生物學家加布裡埃爾·伊圖裡亞加希望最終無需任何基因改造即可處理農作物，方法是使用豆類植物根部周圍發現的產生海藻糖的細菌Rhizobium etli。早期對該細菌的基因改造版本的實驗表明，在正常條件下產量提高了 50%，並在乾旱期間挽救了一半的作物。
微生物方法也為農民提供了更大的靈活性。基因工程改造的抗旱植物的一個問題是它們在潮溼年份表現不佳。因此，農民必須在生長季節開始時選擇種子時嘗試預測天氣。但是，微生物混合物可能使植物即使在生長條件突然變化時也能適應。
西雅圖自適應共生技術公司的羅素·羅德里格斯和雷吉娜·雷德曼一直在研究一種植物真菌，這種真菌似乎可以提高一系列糧食作物對鹽度、乾旱以及極端高溫或低溫的耐受性。這種真菌在黍草中茁壯成長，黍草在黃石國家公園熱泉周圍高達 70 攝氏度的土壤溫度下也能存活。只有當這種特殊的真菌存在並且只有當真菌包含一種關鍵病毒（充當耐熱性的開關）時，這種草才能承受高溫。研究人員繼續從沙丘到高山斜坡等一系列高壓環境中收集根部真菌。羅德里格斯表示，他們的目標是實現一種混合物，在日益不可預測的條件下可靠地將產量提高 10% 到 15%。
磷酸鹽戰爭
其他研究人員正在調整農業生物群落，以幫助向植物輸送關鍵營養物質。當然，農民數千年來一直認識到大豆、花生和其他豆類植物具有近乎神奇的力量來肥沃土壤。此外，科學家們一個多世紀以來就知道，事實上，將氮從空氣中提取出來的技巧不是植物掌握的，而是生活在其根部結瘤中的根瘤菌。
植物也需要磷酸鹽，而許多熱帶國家的土壤中磷酸鹽含量異常低。發展中國家的農民通常完全依賴國際市場獲取磷肥。在 2007 年和 2008 年，磷酸鹽和其他化肥的價格飆升，導致從墨西哥到孟加拉國的糧食騷亂。在一些國家，農民現在乾脆完全跳過磷肥，聽天由命。
然而，研究人員幾十年來都知道一種可能的補救措施。稱為叢枝菌根真菌的土壤微生物在植物根部內部和周圍形成孢子和菌絲，並幫助它們獲取磷酸鹽。一直沒有一種好的方法可以大規模生產和交付這種物質。事實上，含有形成新真菌的孢子的土壤可以從一個國家運往另一個國家，但引入外來真菌作為外來物種的環境影響仍然不確定。而且真菌孢子的濃度非常低，以至於種植木薯等作物的農民需要以每公頃一噸的比率施用富集土壤。
在新技術的幫助下，一些公司現在可以在培養基中大規模生產真菌，並以高濃度凝膠的形式銷售。農民可以攜帶足夠覆蓋一公頃土地的凝膠，裝在一個蘇打水瓶中。研究團隊可以收集當地菌株的真菌，測試哪些菌株最有希望，然後將其交付給製造商進行生產。瑞士洛桑大學的伊恩·R·桑德斯和哥倫比亞國立大學的艾麗婭·羅德里格斯去年開始了針對木薯的田間研究，木薯是一種根莖作物，是發展中國家大部分地區的主食。
在田間，農民將凝膠稀釋在一桶水中，然後在種植前將一網袋木薯莖浸入桶中幾秒鐘。在第一個測試季，這種處理將磷酸鹽用量減少了一半，產量提高了 20%。桑德斯和羅德里格斯現在正在三種或四種常見的木薯品種上雜交多種真菌菌株。他們還在非洲測試這些菌株，如果成功，將把該計劃擴充套件到那裡的六個國家，從而使這項技術能夠惠及自給自足的農民。
農業共生的另一個有希望的途徑是研究微生物用來相互交流的化學訊號。研究人員監測這種日常聊天，以確定哪些細菌可能適合為植物提供營養物質或發現病原體的弱點。這種策略催生了一種對抗木質部桿菌的潛在武器，木質部桿菌是引起皮爾斯病的細菌，這種病正在殺死加利福尼亞州大片的葡萄園。這種細菌處於休眠狀態，直到其昆蟲宿主（玻璃翅葉蟬）以葡萄植物為食。它在植物體內甦醒，但在準備被另一隻昆蟲獲取時又變得休眠。
“基本上，它採取的透過昆蟲傳播的生活方式與其在植物中移動的能力不相容，”加州大學伯克利分校的史蒂夫·林多說。林多提取了病原體用來發出休眠訊號的基因，並將它們剪接到葡萄基因組中。當病原體到達時，植物的轉基因會告訴它表現得好像即將被昆蟲獲取一樣，從而使其無害。
未兌現的承諾
過去，農業中新的微生物方法往往未能產生在田間承諾的結果，部分原因是缺乏資金將基礎研究轉化為實際應用。分子生物學家也常常缺乏將他們的專有技術轉移給農民的意願。“這是一個兩個世界的故事，”荷蘭瓦赫寧根大學的肯·吉勒說，他在非洲致力於改進根瘤菌在固氮豆科植物中的應用。他對固氮遺傳學的分子工作“絕對是一個引人入勝的故事，”他評論道。與此同時，農民繼續用 30 年前首次分離出的細菌菌株處理他們的植物。“這主要是因為從事這項工作的科學家一心想找到下一個更精細的細節，”吉勒說。“許多有趣的發現沒有被採納並應用到實際應用中。”
許多進入田間的產品都無效，因為它們沒有經過充分的測試，或者因為它們是粗心大意地製造的，甚至可能是欺詐性的。奈及利亞國際熱帶農業研究所 (IITA) 測試了 106 種不同的農場產品，其中大部分是微生物產品。除五種外，所有產品都失敗了，因為它們不包含標籤上的活性成分，它們沒有足夠的活性成分，或者它們在溫室和田間試驗中無效。
許多有缺陷的產品來自歐洲、美國和日本。國際熱帶農業研究所沒有與製造商對抗，而是培訓目標國家的監管機構進行自己的質量測試。該研究所還在開發一種批准印章，讓買家知道產品何時符合合理標準。該計劃旨在幫助農民不僅瞭解哪些微生物產品有效，而且瞭解在何處以及在何種條件下有效。
美國微生物學會主任安·裡德說，讓農民理解農業生物群落的新規則“將非常複雜”，但它也將“非常酷”。這意味著讓農民相信他們的工作不是簡單的投入和產出業務——這裡放一些水，那裡放一些農藥。相反，這意味著要認識到農業一直以來的樣子——與龐大的微生物群落的合作。如果農民和科學家能夠共同做到這一點，我們將朝著養活飢餓的世界邁進一步。