路边摊新鲜的西红柿，切片后晶莹剔透，只用盐、胡椒和少许橄榄油调味——这是夏天神圣的享受。值得为之而死？可能吧。
在过去十年左右的几乎每一年，东海岸的公共卫生调查人员都追踪到一到两次沙门氏菌爆发，并将本地西红柿确定为罪魁祸首。这些疫情通常规模较小，影响 10 到 100 人。然而，对于非常年老和非常年幼的人来说，它们可能意味着住院甚至死亡。
几年前，美国食品和药物管理局食品安全与应用营养中心微生物学主任埃里克·布朗开始思考：为什么是东海岸的西红柿？沙门氏菌细菌可能从地表水以及海鸥、海龟、家禽和其他动物的粪便进入番茄地。那么为什么西海岸的西红柿也没有受到污染呢？
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布朗问题的答案来自对生活在所有植物内部和周围的细菌、病毒和真菌群落（科学家称之为微生物组）的仔细检查。事实证明，西海岸的西红柿在抑制甚至杀死沙门氏菌的土壤细菌的陪伴下生长。当研究人员去东海岸寻找类似的菌株时，他们发现了它们，但数量较少。因此，在弗吉尼亚州进行的一项试点研究中，美国食品药品管理局一直在培育这些本地细菌之一Paenibacillus的种群，将其喷洒到番茄幼苗上，并在作物上获得相同的抗沙门氏菌效果。布朗预计将在 2014 年或 2015 年将该工艺推广到商业番茄种植者。
向农作物添加细菌以预防人类疾病可能是食品安全全新途径的开始，可能会从西红柿扩展到香瓜、菠菜、豆芽和其他成为沙门氏菌和大肠杆菌头条新闻的农作物。番茄项目符合我们种植食物方式的更剧烈转变，这种转变基于对土壤中微生物的新认识以及植物和微生物相互依赖的多种方式。
这几乎与绿色革命相反，绿色革命在 20 世纪中期通过大量投入化肥、农药和水，大幅提高了农业生产力。微生物革命的目标是利用已有的东西：一克土壤中有多达 40,000 种微生物。直到最近，这个微生物群落（可以称为“农业生物群落”）在很大程度上还是一个谜。但在过去十年中，低成本 DNA 测序和其他技术打开了微生物的秘密世界。植物学家现在可以识别出植物周围微生物群落的每一个成员。通过这样做，他们已经开始了解各种微生物在不同季节和土壤环境中的行为方式，甚至开始设计方法来调整它们以帮助植物更好地生长。
事实上，土壤科学家必须应对如此多的新信息，以至于破解番茄沙门氏菌病例的美国食品药品管理局微生物学家安德里亚·奥特森叹了口气，将其描述为“目前有点像一个巨大的兔子洞”。但是，鉴于农业现在面临的巨大挑战，整理这些丰富的新信息以帮助农民种植更好的作物似乎尤为紧迫：全球缺水；极端和不可预测的天气事件，例如去年夏天美国玉米带的毁灭性干旱；对用化石燃料生产的氮肥可持续性的担忧；以及到本世纪中叶不得不养活额外 20 亿人口的前景。
新的研究表明，微生物可以为现有农业方法和基因工程提供替代方案，以缓解其中的一些问题。例如，向日葵和其他一些植物自然产生海藻糖，这有助于稳定植物细胞膜并减少干燥和随后的补水循环造成的损害。包括玉米和土豆在内的其他植物已经过基因工程改造，可以制造海藻糖。然而，墨西哥的分子生物学家加布里埃尔·伊图里亚加希望最终无需任何基因改造即可处理农作物，方法是使用豆类植物根部周围发现的产生海藻糖的细菌Rhizobium etli。早期对该细菌的基因改造版本的实验表明，在正常条件下产量提高了 50%，并在干旱期间挽救了一半的作物。
微生物方法也为农民提供了更大的灵活性。基因工程改造的抗旱植物的一个问题是它们在潮湿年份表现不佳。因此，农民必须在生长季节开始时选择种子时尝试预测天气。但是，微生物混合物可能使植物即使在生长条件突然变化时也能适应。
西雅图自适应共生技术公司的罗素·罗德里格斯和雷吉娜·雷德曼一直在研究一种植物真菌，这种真菌似乎可以提高一系列粮食作物对盐度、干旱以及极端高温或低温的耐受性。这种真菌在黍草中茁壮成长，黍草在黄石国家公园热泉周围高达 70 摄氏度的土壤温度下也能存活。只有当这种特殊的真菌存在并且只有当真菌包含一种关键病毒（充当耐热性的开关）时，这种草才能承受高温。研究人员继续从沙丘到高山斜坡等一系列高压环境中收集根部真菌。罗德里格斯表示，他们的目标是实现一种混合物，在日益不可预测的条件下可靠地将产量提高 10% 到 15%。
磷酸盐战争
其他研究人员正在调整农业生物群落，以帮助向植物输送关键营养物质。当然，农民数千年来一直认识到大豆、花生和其他豆类植物具有近乎神奇的力量来肥沃土壤。此外，科学家们一个多世纪以来就知道，事实上，将氮从空气中提取出来的技巧不是植物掌握的，而是生活在其根部结瘤中的根瘤菌。
植物也需要磷酸盐，而许多热带国家的土壤中磷酸盐含量异常低。发展中国家的农民通常完全依赖国际市场获取磷肥。在 2007 年和 2008 年，磷酸盐和其他化肥的价格飙升，导致从墨西哥到孟加拉国的粮食骚乱。在一些国家，农民现在干脆完全跳过磷肥，听天由命。
然而，研究人员几十年来都知道一种可能的补救措施。称为丛枝菌根真菌的土壤微生物在植物根部内部和周围形成孢子和菌丝，并帮助它们获取磷酸盐。一直没有一种好的方法可以大规模生产和交付这种物质。事实上，含有形成新真菌的孢子的土壤可以从一个国家运往另一个国家，但引入外来真菌作为外来物种的环境影响仍然不确定。而且真菌孢子的浓度非常低，以至于种植木薯等作物的农民需要以每公顷一吨的比率施用富集土壤。
在新技术的帮助下，一些公司现在可以在培养基中大规模生产真菌，并以高浓度凝胶的形式销售。农民可以携带足够覆盖一公顷土地的凝胶，装在一个苏打水瓶中。研究团队可以收集当地菌株的真菌，测试哪些菌株最有希望，然后将其交付给制造商进行生产。瑞士洛桑大学的伊恩·R·桑德斯和哥伦比亚国立大学的艾丽娅·罗德里格斯去年开始了针对木薯的田间研究，木薯是一种根茎作物，是发展中国家大部分地区的主食。
在田间，农民将凝胶稀释在一桶水中，然后在种植前将一网袋木薯茎浸入桶中几秒钟。在第一个测试季，这种处理将磷酸盐用量减少了一半，产量提高了 20%。桑德斯和罗德里格斯现在正在三种或四种常见的木薯品种上杂交多种真菌菌株。他们还在非洲测试这些菌株，如果成功，将把该计划扩展到那里的六个国家，从而使这项技术能够惠及自给自足的农民。
农业共生的另一个有希望的途径是研究微生物用来相互交流的化学信号。研究人员监测这种日常聊天，以确定哪些细菌可能适合为植物提供营养物质或发现病原体的弱点。这种策略催生了一种对抗木质部杆菌的潜在武器，木质部杆菌是引起皮尔斯病的细菌，这种病正在杀死加利福尼亚州大片的葡萄园。这种细菌处于休眠状态，直到其昆虫宿主（玻璃翅叶蝉）以葡萄植物为食。它在植物体内苏醒，但在准备被另一只昆虫获取时又变得休眠。
“基本上，它采取的通过昆虫传播的生活方式与其在植物中移动的能力不相容，”加州大学伯克利分校的史蒂夫·林多说。林多提取了病原体用来发出休眠信号的基因，并将它们剪接到葡萄基因组中。当病原体到达时，植物的转基因会告诉它表现得好像即将被昆虫获取一样，从而使其无害。
未兑现的承诺
过去，农业中新的微生物方法往往未能产生在田间承诺的结果，部分原因是缺乏资金将基础研究转化为实际应用。分子生物学家也常常缺乏将他们的专有技术转移给农民的意愿。“这是一个两个世界的故事，”荷兰瓦赫宁根大学的肯·吉勒说，他在非洲致力于改进根瘤菌在固氮豆科植物中的应用。他对固氮遗传学的分子工作“绝对是一个引人入胜的故事，”他评论道。与此同时，农民继续用 30 年前首次分离出的细菌菌株处理他们的植物。“这主要是因为从事这项工作的科学家一心想找到下一个更精细的细节，”吉勒说。“许多有趣的发现没有被采纳并应用到实际应用中。”
许多进入田间的产品都无效，因为它们没有经过充分的测试，或者因为它们是粗心大意地制造的，甚至可能是欺诈性的。尼日利亚国际热带农业研究所 (IITA) 测试了 106 种不同的农场产品，其中大部分是微生物产品。除五种外，所有产品都失败了，因为它们不包含标签上的活性成分，它们没有足够的活性成分，或者它们在温室和田间试验中无效。
许多有缺陷的产品来自欧洲、美国和日本。国际热带农业研究所没有与制造商对抗，而是培训目标国家的监管机构进行自己的质量测试。该研究所还在开发一种批准印章，让买家知道产品何时符合合理标准。该计划旨在帮助农民不仅了解哪些微生物产品有效，而且了解在何处以及在何种条件下有效。
美国微生物学会主任安·里德说，让农民理解农业生物群落的新规则“将非常复杂”，但它也将“非常酷”。这意味着让农民相信他们的工作不是简单的投入和产出业务——这里放一些水，那里放一些农药。相反，这意味着要认识到农业一直以来的样子——与庞大的微生物群落的合作。如果农民和科学家能够共同做到这一点，我们将朝着养活饥饿的世界迈进一步。