梅赛德斯·迪亚兹走进一片泥泞的大豆田，用她精心修剪的明亮指甲拨弄着数十株齐膝高植物的枝条。当她检查茎、豆荚和叶子时，她喃喃自语地列出了一系列可能的病害：豆荚螟、蛙眼病斑、白霉病。迪亚兹发现一团杂乱的斑驳叶子，喊道：“SDS！”——示意大豆猝死综合征。她摘下一片叶子递给我。我把这片皱巴巴的、手掌大小的叶子翻过来。不规则的孔洞布满了它的表面，还有难看的棕色斑点，带着黄色——这是由SDS真菌产生的毒素造成的，这种毒素在植物体内蔓延，夺走了它的豆荚，并从内向外啃食叶子。SDS是美国主要的作物杀手之一。根据美国大豆委员会的数据，仅在2014年，它就使农民损失了超过6000万蒲式耳的产量。然而，迪亚兹看到它出现在她的田地里却欣喜若狂。
作为一名植物病理学家，迪亚兹是无数研究人员中的一员，他们正在寻找新的方法来保护作物免受威胁并大幅提高产量。2016年，她的团队将数千种不同的微生物涂在种子上，并将它们与未处理种子的对照地块一起，种植在整个中西部和南部的50万个地点。在这些田地的周边，研究人员设置了哨兵地块——播种了易受疾病侵袭的品种，这些品种就像煤矿里的金丝雀一样，警告可能对其他作物造成的危害。当迪亚兹在哨兵地块中发现SDS或其他一些枯萎病，而在试验地块中没有发现时，这可能表明微生物正在发挥作用，有助于生产更健康、更丰富的作物。
然而，在这个九月多雨的日子里，迪亚兹发现试验地块和对照地块都逃脱了哨兵的命运。微生物没有发挥作用——还是发挥了作用？即使是每英亩高达六蒲式耳的产量提高（大豆的平均产量约为每英亩50蒲式耳）也几乎不可能用肉眼看出。她将不得不等待植物收获并分析数据，才能 выяснить 任何微生物是否有所帮助。
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科罗拉多州立大学的植物病理学家简·利奇说：“我们需要停止寻找灵丹妙药。” “这不是我们任何一个人可以独自解决的问题，它将需要非常多样化的团队以我们从未合作过的方式共同努力。” 利奇和其他科学家正在倡导一种更全面的方法，这种方法考虑了农场上所有组成部分——植物、土壤、微生物、昆虫和气候，统称为植物群落——如何相互作用以决定作物产量。这个概念可以追溯到19世纪博物学家阿尔弗雷德·罗素·华莱士和查尔斯·达尔文的著作，他们将自然界描绘成一个巨大的、相互关联的网络，物种不断适应周围不断变化的环境。
以迪亚兹心爱的大豆为例。当昆虫落在豆叶上时，植物可能会通过根部分泌挥发性化学物质作为反应，反过来，这会改变土壤的微生物组成。然后，这些微生物可能会激活邻近植物中的一系列基因，使其高度警惕潜在的攻击。然而，这种关键的植物防御对各种环境因素很敏感，例如，可能容易受到气候变化的影响。病原体也有自己惊人的技巧。有些可以像炮弹一样从叶子表面射出，搭乘气流从田地到田地，从大陆到大陆。来自云层的某些高空微生物菌株甚至可以影响天气，召唤雨和冰雹返回地球。
科学家们几个世纪以来一直怀疑这种复杂性，但直到最近，技术的进步才使他们能够绘制这些复杂相互作用的地图，以期为农业开发更系统、更可持续的解决方案。利用基因测序工具，他们现在可以测量土壤中的所有微生物，甚至包括稀有品种或难以捉摸的菌株，这些菌株在实验室中无法生长。他们可以追踪这些微生物群落在空间和时间上的变化，可能是由于肥料的激增或温度的下降。他们可以记录微生物、植物和其他生物彼此之间的对话，并尝试破译这种化学通讯如何驱动作物生产力和健康。
有一天，农民也许能够驾驶一辆配备特殊设备的拖拉机进入田地，对其微生物居民进行全面的普查，以及更典型的“精准农业”测量——例如土壤的湿度水平和养分含量。然后，这些因素可以与先前作物产量、潜在的害虫和病原体以及预测的天气模式的数据相结合，以预测哪种种子、养分、化学物质和微生物的组合应该产生最高的产量。
使这一愿景成为现实的运动才刚刚开始。2016年，一群多元化的科学家发布了一项雄心勃勃的计划，旨在改变农业的未来，即《植物群落：研究与转化的路线图》。随着《路线图》的发布，诞生了学术出版物《植物群落》杂志和植物群落联盟，这是一个产业界-学术界合作组织，包括十几个实体——BioConsortia和Indigo等新手以及迪亚兹的雇主孟山都等熟悉的名字。在过去的几年里，这些公司投入巨资加大研发力度，争夺全球农业生物制剂市场的份额，预计到2020年将达到100亿美元。
他们认为我们脚下的土地——及其庞大的常驻微生物网络——对这项工作至关重要。土壤中的细菌和真菌可以帮助植物生长、应对压力、增强免疫反应以及抵御害虫和疾病。农民自19世纪后期就开始了解其中的一些知识，当时他们开始用根瘤菌处理豌豆和豆类地块，根瘤菌可以向土壤中添加氮。如今，市场上已经有数十种基于土壤微生物组的产品，而且还有更多产品正在开发中。孟山都与总部位于丹麦的诺维信合作，正在大力押注通过迪亚兹参与的大规模实验开发的含微生物种子。其他研究人员正在尝试不同的方法，例如以吸引有益微生物或操纵害虫-植物通讯的方式改变作物的基因组，以便作物能够更好地检测和应对威胁。鉴于植物群落的复杂性，影响的可能途径是无限的。死胡同也是如此。挑战在于及时获得回报以避免饥荒。
来自地下的笔记
在圣路易斯郊外一小时车程的地方，九月中旬的阳光下，玉米田看起来枯萎苍白。成片的大豆像1970年代风格的粗毛地毯，染成了鳄梨绿和收获金的色调。我正与迪亚兹和她的同事前往伊利诺伊州斯托宁顿郊外一个没有标记的地点。当我踏入一个水坑时，我拿起我的田地地图副本，上面显示了数千颗富含微生物的种子的播种地点。这些微生物在富含营养的肉汤大桶中生长，涂在巨型不锈钢碗内的种子上，然后冷冻保存直到播种时。一旦种子发芽，这些微生物就会焕发生机，但接下来会发生什么取决于构成植物群落的多种因素。
我跟着迪亚兹进入玉米秆迷宫，她向我展示了几穗覆盖着粉红色霉菌、成群结队的小白蝇的哨兵玉米穗。植物缺乏真正的免疫系统，但它们已经进化出许多应对昆虫的策略。一些植物可以加厚细胞壁，使入侵者无法穿透，或者它们向根或叶子释放有毒化学物质，使其变得不那么可口。尼古丁、咖啡因甚至赋予红酒涩味的单宁酸都是植物防御的产物。
几个世纪的育种和几十年的基因工程旨在增强植物防御能力并构建其他有用的性状，以提高作物产量。例如，美国现在种植的玉米中有一半以上含有一种来自杀虫细菌——苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis），或 Bt——的基因，这种基因使玉米能够杀死甲虫幼虫。现在，科学家们正在寻找其他与植物群落相关的性状，这些性状可能有助于促进植物健康。他们发现，植物花费高达30%的能量来吸引合适的微生物并排斥错误的微生物。北卡罗来纳大学教堂山分校的植物生物学家杰弗里·丹格尔正在研究改变植物基因组的方法，以进一步培养这种微生物随从。他最近发现了一种基因，该基因塑造了生活在根部内外的细菌群落，以从土壤中吸收更多的磷酸盐——一种供应正在减少的养分。
其他植物群落研究侧重于对虫害的抵抗力。通常，当咀嚼昆虫的唾液中存在称为激发子的特殊化学物质时，植物可以检测到害虫正在活动。宾夕法尼亚州立大学的昆虫学家加里·费尔顿和他的同事发现，一些甲虫和毛毛虫可以通过将肠道微生物吐到叶子上来掩盖这些泄露信息的分子，从而欺骗植物，使其反应得好像它沐浴在细菌中而不是被虫子蹂躏。对微生物的错误引导反应实际上破坏了植物防御昆虫的能力。最近，费尔顿表明，喂食甲虫某种细菌会使它们的微生物组发生偏移，以至于它们无法再愚弄植物[见下方方框]。
图片来源：谢丽·辛宁
下一场绿色革命可能源于塑造植物、害虫和土壤居民之间对话的任何或所有这些方法。但首先，还有实验作物要照料，还有大量数字要处理。
2015年夏末，一支机器舰队从路易斯安那州到明尼苏达州，从北卡罗来纳州到内布拉斯加州的田野中散开，收获了孟山都-诺维信合作伙伴关系BioAg联盟种植的每一块玉米和大豆试验地块。来自笨重收割机的数据实时传输回孟山都位于圣路易斯的数据中心，以及诺维信位于北卡罗来纳州研究三角园的工厂。众所周知，两地的科学家都蜷缩在电脑屏幕前，观看来自田野的数字涌入。“这就像观看慢动作的赛马，”孟山都生物技术数据战略主管斯科特·舍歇尔说。
他们发现最好不要对早期结果抱有太大期望。原始数据可能具有欺骗性，因为它们没有考虑到可能使特定微生物抢占先机或使其落后的因素。土壤微生物组可能因地块而异，甚至在整个田地中也是如此。天气可能会造成严重破坏：种子包衣可能会被早期的雨水冲刷掉，而且有一年，该联盟因飓风华金损失了数千个地块。除了50万个产量点外，该团队还收集了每个土壤样本的50种不同测量值。再加上其他植物群落数据，最终您将获得太字节的信息，舍歇尔称之为“统计学家的嘉年华或噩梦。”
在他的办公室电脑上，舍歇尔调出了一张美国地图，地图上装饰着红色和绿色的点，就像一棵圣诞树：绿色代表提高产量的微生物，红色代表降低产量的微生物。它们代表了来自五个玉米田的2016年结果。他和他的团队可以根据土壤和环境特征、天气以及昆虫和疾病压力来细分数据。他们可以放大SDS水平高的位置，看看是否可以识别出在这些条件下表现出色的任何微生物。
该团队使用“田地优先”策略，这意味着它跳过了典型的温室实验，直接在田地中测试其候选物。因此，研究人员不知道哪些微生物（如果有的话）会带来优势。在2014年，即田间试验的第一年，他们种植了涂有500种不同菌株的种子。90%的微生物失败了。2015年，他们将2000种微生物投入到竞赛中，包括第一年的优胜者。在那次试验之后，只有少数原始竞争者以及数百名新人留了下来。2016年，科学家们种植了另外2000个菌株，由表现最佳的菌株和一批新招募的菌株组成。在实验的三年中，最初一轮中只有一种微生物——加上后来几轮中的数百种——仍然在竞争中。该团队不是在寻找昙花一现的奇迹——它想要的是年复一年、在多个田地中表现始终如一的三冠王。
风险业务？
使用全天然微生物——从农田中提取，在实验室中培养，然后返回农场——可能看起来像是一个无害的提议，没有与转基因生物（GMO）相关的争议。然而，它引发了一些担忧。扰乱微生物环境可能会影响作物的风味，就像土壤成分影响葡萄酒的味道一样。一种提高产量的细菌可能具有致病特性，证明对人类健康有害。长期应用植物益生菌可能会改变土壤的自然动态，促进某些微生物的繁殖，同时导致其他微生物灭绝。种子包衣也存在风险，就像许多应用于田地的制剂一样，可能会从一种作物上脱落并污染另一种作物。
舍歇尔说，BioAg联盟努力避免此类问题。它在将微生物菌株引入田地之前，会对其进行一系列测试。它对每个基因组进行测序，以确保该微生物与已知的人类病原体没有相似之处，并进行其他测试以评估它是否可能对环境有毒或传播到另一种作物。他和他的团队定期咨询美国农业部，该部门决定在特定的微生物物种进行田间试验之前是否需要许可证。具有良性职责的生物，例如固定氮或溶解磷酸盐的生物，通常会获得通过。那些具有更危险工作的生物，例如杀死其他细菌或真菌的生物，则需要更多的文书工作。
爱荷华州立大学植物病理学家、植物群落路线图的作者之一格温·比蒂说，在农业研究人员中，更大的担忧不是新引入的物种会接管或传播到其他作物，而是它们不会停留足够长的时间来做很多事情。一勺土壤包含大约500亿个微生物，最多可混合10,000种不同的物种。研究人员可以向土壤中添加数百万个菌株，但不会造成任何影响。“如果你一次向纽约市投入一个人，你投入的大多数人不会改变纽约市，”比蒂说。“这就像微生物群落中的情况一样。引入生物体很少会产生任何影响，而这实际上是最大的挫败感。” （人类益生菌产业也面临着类似的挑战，该产业旨在增强人体肠道中由数万亿成员组成的微生物群落。其粉末、药丸和饮料已被推广用于治疗从腹泻到抑郁症的各种疾病，但很少有研究表明有任何可衡量的效果。）
尽管如此，孟山都的活动还是引起了公众的广泛担忧，公众指责该公司危害人类健康、践踏农民的权利并垄断食品供应。大多数愤怒都出现在1990年代中期，当时这家农业巨头推出了一系列转基因作物。从那时起，出现了两种对立的说法：一种说法是该公司开发出的种子使产量翻了一番，并英勇地克服了粮食短缺；另一种说法是其产品玷污了农田并导致癌症。2016年，美国国家科学院完成了可能是有史以来最彻底的转基因生物审查，发现这两种说法都不属实。其报告的结论是，转基因作物与传统作物一样安全食用，但“没有证据”表明转基因生物提高了产量进展。
报告表明，转基因大豆、棉花和玉米的主要好处是“采用这些作物的生产商获得了有利的经济成果”。当我询问科学院令人失望的调查结果时，一位孟山都代表承认，该公司已将其销售说辞从养活世界转变为帮助农民以最低的成本获得最佳产量。孟山都2016年的销售额总计135亿美元，其中近100亿美元来自种子，其中许多种子是基因增强的。过去二十年的进步为农民节省了资金，为工业界赚取了利润，但对更多食物的需求仍然迫切。
明日的收获
今天在美国农场种植的种子不是您祖父的种子。它们通常携带多达14种不同的基因工程性状，堆叠在一起。这些“堆叠”，正如行业术语所称，通常伴随着一系列其他潜在的产量提升产品，包括肥料、除草剂，以及最近的生物制剂，如BioAg联盟的微生物种子包衣。然而，我们仍然对构成健康作物的因素知之甚少——学术界和政府以及大型农业的科学家都在努力 выяснить 它。
即使在测序技术取得进展的情况下，科学家们也仅识别出土壤中微生物物种的1%。土壤的浑浊性质使得可视化地下发生的事情变得困难。科学家们不得不求助于破坏性的终点研究——用铲子铲起几勺土壤，并对其微生物成分进行粗略调查，就像一个巨人用手在地球上扫过，以捕捉人类的样本。这种方法可能表明哪些人存在，但不能说明他们在世界天翻地覆之前在做什么或如何互动。
几年前，苏格兰的一个团队配制了一种透明的人工土壤，使研究人员能够窥探与植物根系相关的微生物群落。教堂山分校的微生物学家伊丽莎白·尚克一直在使用这种透明土壤来研究微生物的信号。这些化学信息范围从致命的——70%的抗生素来源于微生物用来互相杀死的代谢物——到有益的——一些微生物使用它们来宣布它们正在聚集形成生物膜，以便它们可以粘附在根表面。2016年11月，尚克在新墨西哥州圣达菲举行的植物群落研讨会上介绍了她的工作。她解释说，通过用荧光标记物标记不同的微生物代谢物，她可以观察到信息在群落之间传播，因为它们对诸如种子种植、温度升高或病原体入侵等事件做出反应。
她的创新可能会产生巨大的回报。也可能不会。许多像尚克这样的学者正在将其发现授权给企业或创办自己的初创公司。商业生态系统充满了新的实体、合作和合并，包括2016年9月拜耳以660亿美元收购孟山都。美国政府也加入了这场游戏。2014年的“农业法案”拨款2亿美元成立食品和农业研究基金会（FFAR），以鼓励学术界-产业界合作。2016年7月，FFAR召集了一组专家，集思广益，探讨如何从植物群落中获得最大的收益。
植物群落联盟执行主任凯莉·埃弗索尔说，尽管学术界、政府和产业界可能有着相似的目标，但他们的方法有时是背道而驰的。由于公司对投资者负责，他们可能具有短期的、以利润为导向的心态。“没有基础研究和建立长期的渠道可能会伤害我们，”她说。另一方面，产业界拥有植物学教授只能梦想的资源：在FFAR活动几天后，孟山都的舍歇尔在美国植物病理学会会议（每年超过1500名植物病理学家参加的聚会）上做了一次演讲。当他调出BioAg联盟田间试验的地图时，明尼苏达大学的植物病理学家琳达·金克尔几乎从椅子上摔了下来。“如果他们真的收集了50万个土壤微生物组的数据，那就比我们其他人加起来还要多，”金克尔说。她担心，“其中有多少科学是我们永远看不到的？”
利用植物群落来改善作物将需要彻底整合来自不同来源和学科的信息，但许多相关方并不愿意公开。农民不愿让其他人访问他们在田地里收集的数据，理由是担心隐私。BioAg联盟偶尔会向学术界合作者提供零星的信息，但舍歇尔表示，它无法分享所有数据，因为孟山都和诺维信必须“保护其竞争优势”。2017年，该联盟推出了其首款产品，一种基于玉米田土壤中发现的真菌的微生物种子包衣，在田间试验中平均每英亩增产三蒲式耳。预测表明，该产品可用于在全球多达9000万英亩的农田上提高作物产量。