圖片拍攝于賓夕法尼亞州的森特羅利亞，顯示的是地煤層正肆虐燃燒的景象。那兒的煤火一直在地下悶燒了六十年之久。現(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)為在這片高溫土壤中可能含有能夠提高農(nóng)作物產(chǎn)量的細(xì)菌。

攝影：TEAKE ZUIDEMA，HOLLANDSE HOOGTE/REDUX

在去年二月，寒冷的冬日。Maren Friesen驅(qū)車八小時(shí)橫跨冰雪覆蓋的平原，來到了賓夕法尼亞州的森特羅利亞。

1961年，小鎮(zhèn)下面的煤層開始燃燒，持續(xù)了六十多年。這片荒地可謂是熱氣騰騰、濃煙滾滾——它是解開“世界糧食供給之謎”的關(guān)鍵。

Friesen是一位微生物學(xué)家，他在這片詭異的高溫土壤里尋找著可生存的微生物。這些不起眼的細(xì)菌有一種特殊能力——讓田地生長出更多農(nóng)作物。

十多年前，德國科學(xué)家就描繪過這種難以捉摸的細(xì)菌，即嗜熱放線菌（Streptomyces thermoautotrophicus）。這些細(xì)菌有一種特殊的本領(lǐng)，可以把空氣中的氮轉(zhuǎn)化成植物可用的氮，甚至在有氧氣存在的情況下。

并且，通常來說，氧氣會(huì)破壞那些釋放氮?dú)獾募?xì)菌酶。這一過程被稱為“固氮運(yùn)動(dòng)”。

但是，在我們初次發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌的蹤影之后，它們就消失不見了。如果能再次找到它們，那么這種能力就可以應(yīng)用到那些通常無法固定氮的植物上，農(nóng)民們就可以用更少的化肥種植更多的作物。

而且這只是其中一種能改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的細(xì)菌。在我們腳下，數(shù)以百萬計(jì)的微生物都是改善農(nóng)業(yè)的工具，還尚未開發(fā)。這些微生物能讓土壤變得肥沃，幫助植物生長；科學(xué)家們希望能利用它們，或者至少借用它們的能力來提高作物產(chǎn)量。

現(xiàn)在，無論是大學(xué)里的研究者還是主要的農(nóng)業(yè)公司都在尋找利用土壤細(xì)菌的新方式。

一些人希望能用微生物的基因開展植物基因工程，或者種植一些與有益土壤微生物相結(jié)合的作物，從而改變微生物群落的集合，來促進(jìn)植物生長。

一些創(chuàng)業(yè)公司和知名公司正在競相售賣微生物混合物和所謂的生物制劑來做到這一點(diǎn)。

Friesen承認(rèn)，用細(xì)菌的技巧來改造植物的想法聽起來很大膽——雖然很冒險(xiǎn)，但其前景非常廣闊。這就是重點(diǎn)。第一次綠色革命始于20世紀(jì)50年代，讓農(nóng)作物的產(chǎn)量幾乎翻了一番。

“如果我們能利用微生物的能力，為種植業(yè)固定住大氣中的氮，”她說：“那將有可能促成第二次綠色革命。”

大豆根瘤上的固氮細(xì)菌。固氮細(xì)菌（如大豆根瘤所示）能夠把空氣中的氮轉(zhuǎn)化為植物可利用的形式。

攝影：VISUALS UNLIMITED/CORBIS

尋找失蹤的微生物

今年早些時(shí)候，F(xiàn)riesen和實(shí)驗(yàn)室的研究人員Jeff Norman在山坡上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)活躍的排氣口，那里的雪因?yàn)槭軣岫诨?/p>

地面摸上去很熱，四溢的羽毛狀煙云中可檢測出一氧化碳——這里正是他所期待的“新大陸”。他們用封口袋采集了土壤樣本，希望能捉住細(xì)菌獵物。

從某種意義上說，這種消失的微生物意味著遠(yuǎn)古微生物關(guān)系的轉(zhuǎn)變。豆科植物——例如豆子、大豆、苜蓿、花生和豌豆——已經(jīng)和根部的固氮微生物一起生活在舒適的共生關(guān)系里。

植物根部的分泌物可以保護(hù)這些細(xì)菌躲開氧，因?yàn)檠鯐?huì)抑制它們的固氮能力；植物還會(huì)為微生物提供碳，以此來換取氮。這也就是為什么長久以來，農(nóng)民會(huì)種植這些作物讓土壤變得更加肥沃。

但全世界的“口糧”，包括玉米、小麥和稻谷，完全缺乏這種在根部培養(yǎng)細(xì)菌幫手來恢復(fù)土壤肥力的能力。

這就是嗜熱放線菌的特殊之處。它們和其他的固氮細(xì)菌不一樣，它們可以在有氧環(huán)境中施展神力，這極大地?cái)U(kuò)展了人類可利用的植物種類。這可能意味著固氮的關(guān)系可以延伸到玉米、稻、小麥，以及全世界的大部分糧食作物。

今天，農(nóng)民們使用的氮比自然界提供的要多得多，且依賴于20世紀(jì)的一項(xiàng)發(fā)明：哈布二氏法。這種方法能把氮從空氣中提取出來，制成合成肥料。

這種把氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨的工業(yè)生產(chǎn)過程代價(jià)高昂且效率低下（占世界年度能源供應(yīng)總額的2%），且占人類食用蛋白質(zhì)的全部氮含量的40%。

Friesen的項(xiàng)目想為這個(gè)“老大難”的問題帶來一個(gè)激進(jìn)的新方法。“從很多方面來說，植物微生物是一片未知的領(lǐng)域，直到現(xiàn)在，它仍然處在我們的視野之外?！?土壤學(xué)家Wayne Parrott說。

在炙熱的地下找到這些難以捉摸的細(xì)菌只是第一步。第二步將涉及到復(fù)雜的生物工程：找到細(xì)菌在含氧條件下起到固氮作用的基因，然后把它們結(jié)合到植物身上，這樣植物就可以生成與其相同的特性。

“我不想留下這樣的印象，即如果找到了一種新的酶，就把它放進(jìn)作物內(nèi)，突然之間，所有人都拋棄了肥料種植，”Friesen說：“這個(gè)研究轉(zhuǎn)化的過程需要很多時(shí)間。”

Friesen認(rèn)為，宣布這一重大發(fā)現(xiàn)還言之過早?！凹词顾⒉淮嬖?，只是相似，但我們終究無法確定它們是否真實(shí)存在？我們要不抱成見，以現(xiàn)實(shí)的態(tài)度對待可能發(fā)現(xiàn)的事物?！?/p>

紅花菜豆含有固氮細(xì)菌的根瘤。紅花菜豆一類的豆科植物的根部有隆起物，或者叫小瘤。這些小瘤庇護(hù)著厭氧細(xì)菌——它們可以把大氣中的氮轉(zhuǎn)化成植物可利用的形式?？茖W(xué)家們希望能利用喜氧細(xì)菌，把這種能力發(fā)展到非豆科植物上。

攝影：DAVE BEVAN，ALAMY

微生物養(yǎng)活全世界

對于研究人員來說，土壤微生物為提高其他方面的產(chǎn)量提供了新的機(jī)會(huì)——通過避開特定的應(yīng)力，例如害蟲和疾病，來改善營養(yǎng)的獲取渠道，或者減少復(fù)合氮肥的需求。

土壤具有多樣性和豐富性，令人難以置信。而葉子的細(xì)胞數(shù)量龐大，達(dá)到了100乘以一千的八次方（10^26），葉子所覆蓋的細(xì)胞表面積也是最大的，這無疑讓天文學(xué)相形見絀。

Jack A. Gilbert說（伊利諾斯州阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究院兼地球微生物組計(jì)劃的領(lǐng)導(dǎo)人，Earth Microbiome Project），“發(fā)掘大規(guī)模（大部分未被利用）的資源潛力很有前景。地球微生物組打算記錄下豐富多種的微生物種類”。

“這能幫助我們種植更頑強(qiáng)、更有彈性的植物，”Gilbert說：“但我們需要做更多的工作，來描繪作物與微生物之間的關(guān)系?！?/p>

就像人體內(nèi)的微生物——數(shù)十萬億的微生物生活在我們體內(nèi)——作物的不同部分形成了不同的微生物群體。比如在某些植根的周圍，有約30,000種微生物。它們混雜在不同的植物品種和土壤中。

然而，對于它們的情況我們知之甚少。“人類研究腸道細(xì)菌的時(shí)間更長，投入更多”，教堂山北卡羅來納大學(xué)的研究者Jeff Dangl說，他研究的是生活在植物根部的微生物。

“如果你問：‘為什么100多種不同的菌落類群可以進(jìn)入根部且一直生活在那里？’答案是，我們一無所知?！?/p>

同樣地，Dangl認(rèn)為，這將會(huì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)：若想解開植物微生物之間的相互作用之謎，并防止真菌感染和殺死作物，如小麥全蝕病。那么，掌握可利用的混合微生物，就等于擁有了一次良好機(jī)會(huì)，因?yàn)橹辽倨渲幸环N是有用的”，他說道。

在威斯康星州，人們會(huì)在玉米地里間種苜蓿和大豆。長久以來，農(nóng)民們會(huì)把豆類作物和非豆類作物混種在一起，來提高土壤的肥力（如上圖，豆類苜蓿和大豆就和非豆類的玉米種植在一起）。豆類作物所庇護(hù)的細(xì)菌可以為作物提供必須的養(yǎng)分：氮元素。

攝影：PETER ESSICK，《國家地理》

生物制品的繁榮

微生物的利用已經(jīng)成為一項(xiàng)大生意。有多種形式的新型生物制劑：一些可以用來噴灑，就像化學(xué)農(nóng)藥、除草劑或是殺蟲劑。

來自于天然微生物的噴霧和種衣劑也同樣可以作為催化劑，用于提高營養(yǎng)攝取量、刺激作物增長。

對于農(nóng)民來說，促進(jìn)植物的健康生長并不是簡單的事情；他們需要預(yù)測足夠的產(chǎn)量來確定額外的費(fèi)用，就像投資銀行的Piper Jaffray在最近所做的貿(mào)易報(bào)告中說，“在很多方面，工業(yè)正在緊隨著類似20世紀(jì)80年代種子行業(yè)的方式：等待一個(gè)拳頭產(chǎn)品來打開未來幾十年的的持續(xù)增長?！?/span>

例如，上個(gè)月，Monsanto和Novozymes在愛荷華州發(fā)布了“轉(zhuǎn)型的生物產(chǎn)品”，這種產(chǎn)品在試驗(yàn)田里提高了玉米和大豆的產(chǎn)量。

最近幾年，Bayer掌握了一種細(xì)菌種子處理技術(shù)，叫做Poncho/VOTiVO；Syngenta購買了一家公司，用細(xì)菌種子涂層控制大豆上的線蟲，這種涂層對寄生蟲來說是有毒的。其他針對真菌生物的手段可以提高玉米的抗旱能力。

這些進(jìn)步并不會(huì)取代基因改造或者傳統(tǒng)育種，但面對日益增長的人口來說，這將是很好的輔助手段。

Pam Marrone是與Monsanto一起工作的昆蟲學(xué)者，現(xiàn)在是加州戴維斯Marrone生物創(chuàng)新公司的CEO，他從土壤細(xì)菌著手，開發(fā)出了新的農(nóng)藥，可以對抗一系列的昆蟲和螨蟲。她告訴我，生物制劑最終會(huì)被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)發(fā)展中的第二件大事。她說：“我們真的是在臨界點(diǎn)?！?/p>

她還說，盡管我們的藥物中有40%到50%來自于大自然，比如源于植物和微生物，但農(nóng)藥方面只占11%。

“在藥物世界中，有很多生物探勘者。只有很小一部分農(nóng)藥來自于大自然，這就意味著我們還有很多機(jī)會(huì)?！?/p>

文章來源：國家地理中文網(wǎng) （www.nationalgeographic.com.cn），作者為Peter Andrey Smith

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