微生物添加到种子中可以提高作物产量

内森·库德打开一个标有 Q8R 的白色特百惠容器的顶盖，里面装着他在一年中要处理的数百个美国农田样本之一。 里面深棕色的土壤看起来毫无生机，但诺维信公司的微生物学家库德微笑着说出他最喜欢的一句话之一：一勺土壤包含大约 500 亿个微生物，代表多达 10,000 个不同的物种。 容器中生物体的数量超过了地球上曾经生活过的人口总数。

土壤细菌和真菌群落对植物至关重要。 它们帮助植物从土壤中吸收养分和矿物质，甚至可以扩展根系，从而更容易获取食物和水分。 它们还有助于植物生长、应对压力、增强免疫反应并抵御病虫害。

现在，农业公司的科学家们正在像淘金者一样在泥土中挖掘，以找到能够使特定作物生长得更好的确切微生物。 农业综合企业诺维信和孟山都公司正通过用微生物包衣种子、在美国各地的农场种植并收获作物以观察其生长情况，从而引领潮流。 这两家公司通过其 BioAg 联盟，刚刚结束了世界上最大的用有前景的微生物浸泡种子的田间试验计划。 去年秋天，他们收获了各种作物，这些作物是用超过 2,000 种不同的微生物包衣的种子种植的，生长在从路易斯安那州到明尼苏达州的大约 50 万个试验田里，他们一直在忙于分析结果。 他们将于今天公布初步结果。 但在发布任何调查结果之前，他们让《大众科学》先睹为快他们的运营情况和他们的愿望。

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最终，这些微生物农业产品可以显著减少化肥和农药的使用，减轻农业对环境造成的负担，并通过降低成本或提高作物产量来潜在地帮助农民的盈亏底线。 这项研究是一个雄心勃勃的运动的开始，旨在用微生物学取代农业中的化学。

田间试验是关键。“没有什么能将温室结果转化为田间结果，”诺维信公司生物农业研究副总裁兼库德的老板托马斯·舍费尔说。 “由于田地非常复杂，我们必须直接在田地里测试[种子]。”

日益增长的需求
据预测，到 2050 年，世界人口将达到 90 亿。 随着更多人口需要喂养，农业产量将不得不几乎翻一番。 气候变化无济于事：干旱、洪水、盐度上升和土壤侵蚀正在造成更加恶劣的生长条件。 许多害虫和病原体正在产生对农药的抗药性。 化学肥料只能部分解决问题，一些研究表明，它们会污染地下水，可能导致人类疾病，并加剧河流和海洋中有害藻类的大量繁殖。 科学家们希望微生物能够提供一种可行的替代方案。

这种解决方案也可能改变大型农业公司的经济状况。 今天，根据该联盟的数据，农业生物制品（如天然害虫防治、植物提取物和有益昆虫）的市场约为每年 29 亿美元 [2016 年 1 月 7 日更新]——仅占传统化肥和农药带来的 2400 亿美元的一小部分。 孟山都认为微生物市场可能会大幅增长。 与其他农业产品相比，微生物具有更快的开发周期和更少的监管障碍，其他农业产品从构思到上市可能需要 10 到 14 年。 而且，如果广泛使用减少了对化肥和农药的依赖，那就可以缓解公众对工业化农业的担忧。

生物农业的概念并不新鲜。 1888 年，荷兰微生物学家马丁努斯·贝杰林克发现，豆科植物的根部居住着一种名为根瘤菌的细菌，它可以从空气中吸收氮并将其转化为植物可以利用的形式。 从那时起，农民和园丁们一直在他们的豌豆和豆类上撒上成包的粉状根瘤菌。 其他微生物也一个接一个地被转化为产品，如生物杀菌剂和生物农药。 但直到最近，新的 DNA 测序工具才使研究人员能够看到生活在植物根部、根部上和根部周围的巨大而复杂的微生物群落，即根际。 美国微生物学会 2012 年撰写的一份报告，题为微生物如何帮助养活世界，认为利用这种资源可以产生“以经济可行和生态负责任的方式提高任何作物在任何环境中的生产力”的产品。

棘手的部分是弄清楚首先要研究根际中数十亿个成员中的哪一个。 诺维信派出研究团队从私人农场收集土壤样本，然后将样本带回位于北卡罗来纳州研究三角园区的公司实验室，像库德这样的科学家在那里处理这些样本。 尽管每个样本可能包含数十亿到数万亿个微生物，但只有约 1% 的微生物会在实验室中生长。 那些生长的微生物通常以令人眼花缭乱的形状和颜色出现在培养皿中：靛蓝色的细条纹、芥末黄色的液滴、木炭灰色的模糊星号、巨大的血红色球状物。 每个微生物的基因组都被测序（解码）并与已知病原体的数据库进行比对； 任何匹配项都会被丢弃，而其余的则进入下一阶段。

研究人员测试剩余的竞争者，看看它们是否可以用作以下两种用途之一：接种剂（帮助植物吸收养分）或生物防治产品（帮助植物抵抗疾病和害虫）。 一项测试检查微生物是否帮助植物根系更好地吸收养分（如氮）或分解无机土壤磷酸盐，以便植物可以利用它们。 另一项测试评估最终入围者是否可以提供针对植物病害或害虫的保护。 例如，寄生线虫每年给全世界的植物造成超过 1200 亿美元的损失。 诺维信公司的动物学家詹妮弗·佩蒂特向我展示了一个培养皿，里面充满了这些肉眼几乎看不见的微小蠕虫。 她在培养皿中添加了有希望的微生物批次，以确定是否有任何微生物可以麻痹或杀死这些讨厌的害虫。

装有最佳微生物候选者的试管被运到街对面的另一个诺维信实验室，在那里，它们在装满各种配方的浓肉汤的大烧瓶中生长，肉汤的颜色从淡黄色到琥珀色再到几乎黑色不等。 诺维信公司的微生物生理学家比尔·特朗德塞特告诉我，烧瓶的确切内容是商业机密，“就像可口可乐的配方一样”。 所有微生物都不是转基因或工程改造的； 相反，它们是从土壤样本中提取和培养的。 在每个批次在其最喜欢的培养基中培养后，都会对其进行冷冻保存和储存，就像卵子或精子存储在银行中一样。 当春天到来并将它们应用于种子时，它们需要保持活力和健康，这样当种子发芽时，它们就可以在植物扎根后立即成为根际的一部分。 “我们基本上每年只有一个实验，所以我们必须做对，”特朗德塞特说。

在生长季节开始前不久，微生物被运往位于圣路易斯的孟山都工厂，在那里，它们像巨大的爆米花容器一样，在大型不锈钢碗中喷洒到种子上。 2014 年，孟山都在大约 17 万个试验田上种植了用数百种不同微生物菌株包衣的种子，试验田的大小从 3 英尺 x 3 英尺到 3 英尺 x 10 英尺不等。 2015 年，该公司将试验规模大幅扩大，在约 50 万个试验田上测试了 2000 多种微生物。 在每个试验田旁边，该公司都种植了一个没有微生物包衣种子的对照田，在美国南部和中西部地区形成了棋盘效应。

每英亩更多蒲式耳
2015 年 10 月和 11 月，研究人员收获了作物，并开始计算数据，以确定哪些微生物（如果有的话）产生了影响。 2000 种包衣中的许多种被证明没有效果。 但排名前五的包衣使玉米产量平均每英亩增加了 4 到 5 蒲式耳，大豆产量平均每英亩增加了 1.5 蒲式耳。北卡罗来纳大学教堂山分校研究植物微生物组的科学家杰夫·当格尔说，早期结果“看起来很棒”，但他没有参与这些实验。 “然而，通常田间试验必须进行七年，人们才会相信它们。 因此，结论尚无定论。 在我们看到几年的数据后，我们才能更全面地了解哪些微生物在做什么。”

尽管如此，该联盟表示，它计划在 2017 年推出这五种微生物中的一种作为产品——一种基于在玉米田土壤中发现的真菌的接种剂。 诺维信公司的舍费尔承认，即使经过所有实验室测试，他和他的同事在选择将哪些微生物送到田间时仍然是在进行有根据的猜测。 他希望经过多轮田间测试，表现最佳的微生物年复一年地回归，从而出现一些模式，帮助他们预测哪些微生物菌株将使特定作物受益。 该联盟将在 2016 年再次对数千个菌株进行田间测试。

将微生物释放到新的环境中——尤其是当最终产品注定要摆上我们的餐桌时——可能会引起担忧，其中一些担忧比其他担忧更合理。 例如，当格尔说，扰乱微生物环境可能会影响特定作物的味道，就像已知土壤的成分会影响葡萄酒的风味一样。 种子包衣也存在风险，就像许多应用于田地的制剂一样，它可能会从一种作物上脱落并污染另一种作物。 然而，一些支持者认为分享这些“植物益生菌”没有缺点，他们说这些益生菌充其量会对其他作物有益，最坏的情况是没有任何效果。

艾姆斯市爱荷华州立大学生物学教授、美国微生物学会报告的撰稿人之一格温·比蒂多年来一直关注诺维信的努力。 她认为，最大的担忧不一定是新引入的微生物会生长并传播到其他作物，而是它们可能无法停留足够长的时间来首先完成它们的工作。 “我的比喻是，如果你[一次]扔一个人到纽约市，你扔进去的绝大多数人都不会改变纽约市。 偶尔会有一个人会改变世界，但这不太可能发生，”比蒂说。 “微生物群落也是如此。 引入生物体几乎没有任何影响，而这实际上是最大的挫败感。” 因此，她认为，始终需要化学农药和化肥，但随着微生物的加入，用量可能会减少。

微生物组的短暂性是诺维信和孟山都目前正在对包衣在种子上的微生物进行田间测试的原因之一，而不是使用喷雾剂或根部浸泡等其他应用。 在植物发芽和出苗时对其进行处理，即使效果是短暂的，也可能使它们在生长过程中走上更健康的轨道。 尽管舍费尔很想找到一种重磅微生物，但他的科学家们也开始意识到，更大的好处可能来自一组协同工作的微生物。 一克土壤中就有数千种物种，可能的组合是无穷无尽的。 目前，他们正在逐个测试这些物种，他们将等到他们有足够强大的关于单株的数据后再测试组合。

尽管面临挑战，舍费尔仍然认为，微生物有望对现代农业产生持久的影响。 现有的微生物产品，如 诺维信的 Met52（一种限制葡萄象鼻虫的真菌），已经用于数百万英亩的土地； 如果种子包衣取得成功，这个数字可能会跃升。 这两家公司认为，到 2025 年，生物农业产品将用于多达 5 亿英亩的土地，即美国 50% 的农田。 “像孟山都、拜耳、先正达和巴斯夫这样的公司正在研究微生物，因为他们相信[这项技术]有潜力减少化学品的使用，让我们生活得更可持续，”舍费尔说。

玛拉·布罗德富特是北卡罗来纳州温德尔市的自由撰稿人，拥有遗传学博士学位。