2015年夏威夷的一個(gè)晴朗日子，Geoff Zahn和Anthony Amend開始了8小時(shí)的徒步旅行。他們爬上瓦胡島上的叢林山，拍打蚊子，繞過(guò)野豬的圍欄。兩人前往幾個(gè)月前種植了一片極度瀕危的Phyllostegia kaalaensis的地方。他們發(fā)現(xiàn)的是令人沮喪的。

“所有的植物都消失了，”當(dāng)時(shí)在夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的博士后研究員Zahn回憶說(shuō)。兩位生態(tài)學(xué)家發(fā)現(xiàn)每次種植的地方只放置了紅旗，還有一些死稈。“它就像一個(gè)墓地，”Zahn說(shuō)。

植物，薄荷家族的成員，但沒有薄荷醇香氣，很可能死于由新灰霉病(Goopsiphe galeopsidis)引起的白粉病。今天，原產(chǎn)于瓦胡島的白花植物僅在島上的兩個(gè)政府管理的溫室中存活。為什么P. kaalaensis幾乎滅絕尚不清楚，盡管棲息地喪失和白粉病都是潛在的解釋。模糊的真菌疾病攻擊溫室中的植物，研究人員認(rèn)為它殺死了他們?cè)噲D重新引入野外的所有植物。

Zahn之前從未遇到過(guò)滅絕(或接近滅絕)。他回到家里不知所措，決心幫助小薄荷。

就像人類和其他動(dòng)物一樣，植物有自己的微生物組，細(xì)菌，真菌和其他微生物生活在植物上和植物中。有些像霉菌一樣攻擊; 其他人都很有益。一片葉子有數(shù)百萬(wàn)種微生物，有時(shí)還有數(shù)百種不同的微生物。生活在植物組織中的那些被稱為內(nèi)生菌。植物從土壤和空氣中獲取許多這些微生物; 有些是通過(guò)種子代代相傳的。

友好的微生物有助于生長(zhǎng)和光合作用，或幫助植物在干旱和其他壓力源下生存。有些保護(hù)植物免受疾病或植物咀嚼動(dòng)物。像Zahn這樣的科學(xué)家正在研究這些支持性社區(qū)如何幫助野生瀕臨滅絕的植物，如山上的薄荷，或者提高從糧倉(cāng)小麥到熱帶可可的作物產(chǎn)量。

超越花園商店

某些微生物植物合作伙伴是眾所周知的，市場(chǎng)上已有許多微生物產(chǎn)品。例如，園丁可以用微生物刺激他們的澆水桶，以促進(jìn)開花和提高植物免疫力。但是“我們對(duì)那里的產(chǎn)品實(shí)際上是如何工作知之甚少，”北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的遺傳學(xué)家杰夫丹格爾說(shuō)。“這些花園供應(yīng)商店的產(chǎn)品都沒有被證明是大規(guī)模有用的。”

大農(nóng)場(chǎng)可以使用微生物處理。Dangl說(shuō)，在大規(guī)模農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用的主要農(nóng)業(yè)有助于根系收集氮，哪些植物用于產(chǎn)生葉綠素進(jìn)行光合作用。

農(nóng)民可能很快就會(huì)有更多的微生物幫手可供選擇。近幾十年來(lái)，研究植物微生物組的科學(xué)家描述了許多不熟悉的植物配偶。那些研究人員說(shuō)他們只是觸及了可能性的表面。許多初創(chuàng)公司正在研究和發(fā)布新的微生物處理方法。“在過(guò)去的五年里，這種情況發(fā)生了爆炸性增長(zhǎng)，”共同創(chuàng)立Ag??Biome的Dangl說(shuō)道，該公司很快計(jì)劃推出一種抗真菌疾病的細(xì)菌治療藥物。最近收購(gòu)孟山都公司的拜耳公司等農(nóng)業(yè)巨頭也投資了數(shù)億美元用于植物的潛在微生物處理。

希望微生物可以提供下一次農(nóng)業(yè)革命 - 這是一項(xiàng)迫切需要的革命。預(yù)計(jì)到2050年人口數(shù)量將從目前的76億猛增至近100億，我們對(duì)植物性食品，纖維和動(dòng)物飼料的需求預(yù)計(jì)將翻一番。

“我們需要提高產(chǎn)量，”科瓦利斯俄勒岡州立大學(xué)的生態(tài)學(xué)家波西巴斯比說(shuō)。“如果我們可以管理和操縱微生物組......這可能代表了一個(gè)未開發(fā)的區(qū)域，可以提高農(nóng)業(yè)環(huán)境中的植物產(chǎn)量。”與此同時(shí)，像Zahn這樣的科學(xué)家正在關(guān)注微生物組以拯救瀕臨滅絕的植物。

但在基于微生物群的農(nóng)業(yè)和保護(hù)能夠真正起飛之前，許多問(wèn)題都需要答案。一些人圍繞植物之間復(fù)雜的相互作用，它們各種各樣的微生物居民以及它們所生活的環(huán)境。一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是，在某些條件下，幫助某些植物的微生物可能會(huì)傷害其他植物，研究科學(xué)研究所的微生物學(xué)家LuisMejía警告說(shuō)。巴拿馬城的高科技服務(wù)。

保存巧克力

可可作物 - 以及人類寶貴的M&M供應(yīng) - 一直受到不良真菌的威脅，例如引起黑莢腐爛的疫霉(Phytophthora palmivora)。但也有可可的微生物組中的好人，尤其是真菌Colletotrichum tropicale，它似乎可以保護(hù)樹木。

Natalie Christian，作為印第安納大學(xué)布盧明頓分校的研究生，于2014年前往巴拿馬巴羅科羅拉多島的史密森尼熱帶研究所，研究整個(gè)微生物群落如何殖民和影響可可植物(Theobroma cacao)?？死锼沟侔矐岩?，年輕的可可樹的微生物組的主要來(lái)源是雨林或果園地板上的死亡和腐爛的葉子。

為了測(cè)試這種預(yù)感，看看葉凋落物中可能提供的保護(hù)微生物是什么樣的，基督徒在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)箱中培養(yǎng)了不含真菌的可可幼苗。當(dāng)植物達(dá)到約半米高時(shí)，她將它們放在外面的盆中，周圍有一些來(lái)自健康可可樹的落葉，有些帶有來(lái)自其他種類樹木的垃圾，有些則根本沒有垃圾。

兩周后，她將植物帶回溫室，分析它們的微生物組。她發(fā)現(xiàn)了近300種內(nèi)生菌，Mejía及其同事去年在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊B中報(bào)道了這種內(nèi)生菌。

墊料處理之間的微生物組成員不同。帶有任何一種葉凋落物的盆中的植物比沒有凋落物的植物具有更少的多樣性微生物組，可能是因?yàn)樵趤?lái)自其他地方的雜散微生物可以沉淀之前，凋落物中的微生物迅速接管。這些結(jié)果表明幼苗在更成熟的樹木的陰影下可能會(huì)積累與其高聳的鄰居相同的微生物組。

為了研究這些轉(zhuǎn)移的微生物是否能保護(hù)可可生物免受致病微生物的侵害，克里斯蒂安在每組植物的葉子上涂抹了一些黑莢腐爛。三周后，她測(cè)量了腐爛斑點(diǎn)的大小。

被可可墊料包圍的植物具有最小的病變。那些有來(lái)自其他樹木的垃圾的人受到的傷害稍大，沒有垃圾的植物造成的混合垃圾的損害大約是其兩倍。

“接觸母親或其母親的垃圾對(duì)這些幼苗的抗性產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的有益影響，”該研究的合著者，新奧爾良杜蘭大學(xué)的植物生物學(xué)家Keith Clay說(shuō)。

科學(xué)家們不確定好的真菌如何保護(hù)植物免受腐爛。克里斯蒂安說(shuō)，有益的真菌可能只是占據(jù)了葉子內(nèi)或葉子上的空間，沒有留下不受歡迎的空間?；蛘呦馛. tropicale這樣的保護(hù)性微生物可能通過(guò)某種化學(xué)戰(zhàn)攻擊病原體。在可可的情況下，她認(rèn)為最可能的解釋是好人充當(dāng)一種疫苗，引發(fā)植物的免疫系統(tǒng)以抵抗腐爛。為了支持這一想法，梅西亞報(bào)道，2014年在微生物學(xué)前沿是C. TROPICALE導(dǎo)致可可開啟防御基因。

可可農(nóng)民可能需要重新考慮他們的做法。伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的博士后克里斯蒂安說(shuō)，農(nóng)民通常會(huì)清除果園里的落葉，以避免將致病的微生物從腐爛的葉子傳播到活樹上。但她的工作表明，農(nóng)民可能做得最好，至少可以保持健康樹木的垃圾。

裁剪問(wèn)題

垃圾是一種傳播整個(gè)微生物群落的低技術(shù)方式 - 好的和壞的。但農(nóng)業(yè)公司只想抓住好的微生物并將其應(yīng)用于農(nóng)作物。波士頓Indigo Ag公司副總裁兼發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)人Barry Goldman表示，對(duì)好人的追捕始于在農(nóng)田中漫步。機(jī)會(huì)是，你會(huì)在人群中找到更大更堅(jiān)硬的植物。在那些表現(xiàn)最佳的企業(yè)中，Indigo已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了可以改善植物活力和大小的內(nèi)生菌，以及其他可以防止干旱的植物。

該公司與棉花，玉米，大米，大豆和小麥一起使用這些微生物涂上種子。一旦種子發(fā)芽，微生物就會(huì)覆蓋新生的葉子，可以通過(guò)根部的切口或通過(guò)氣孔，葉子中的微小呼吸孔進(jìn)入。這個(gè)過(guò)程類似于嬰兒穿過(guò)產(chǎn)道時(shí)所發(fā)生的事情，一路上從媽媽那里汲取有益的微生物伴侶。

例如，2016年發(fā)布的第一代靛藍(lán)小麥，從用有益微生物處理的種子開始。在堪薩斯州的試驗(yàn)田中，處理使產(chǎn)量提高了8%至19%。

農(nóng)民也報(bào)告了耐旱性的提高。Goldman表示，在2018年的前六個(gè)月只有兩場(chǎng)降雨，參與的堪薩斯州農(nóng)民已經(jīng)放棄并耕種了常規(guī)小麥，而不是那些種植靛藍(lán)小麥的田地。

在圣路易斯，NewLeaf Symbiotics對(duì)甲基桿菌屬的細(xì)菌感興趣。在所有植物中發(fā)現(xiàn)的這些微生物被稱為甲基營(yíng)養(yǎng)菌，因?yàn)樗鼈兂约状?，植物隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)而釋放。作為NewLeaf稱之為甲醇，M-trophs為植物提供了多種益處。有些分子可以促進(jìn)植物生長(zhǎng); 其他人使種子發(fā)芽得更早，更持久，或防止有問(wèn)題的真菌。

NewLeaf今年發(fā)布了第一批產(chǎn)品，包括大豆種子處理Terrasym 401。NewLeaf聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Tom Laurita表示，經(jīng)過(guò)四年的田間試驗(yàn)，Terrasym 401每英畝的產(chǎn)量提高了兩蒲式耳以上。一蒲式耳價(jià)值約9美元。在擁有數(shù)千英畝土地的農(nóng)場(chǎng)上，這就相加了。

農(nóng)民很高興，但NewLeaf和Indigo的工作很難完成。植物微生物組公司都面臨著類似的挑戰(zhàn)。一個(gè)是種植作物的多樣化環(huán)境。僅僅因?yàn)榈逅{(lán)小麥在堪薩斯州茁壯成長(zhǎng)并不意味著它會(huì)超過(guò)北達(dá)科他州的標(biāo)準(zhǔn)品種。“對(duì)于像AgBiome或Indigo這樣的下一代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)公司來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是，這些產(chǎn)品是否會(huì)在一系列現(xiàn)場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)廣告宣傳，”Dangl說(shuō)。

另一個(gè)問(wèn)題是農(nóng)田和植物已經(jīng)有微生物群。“我們要求很多微生物或微生物混合物來(lái)侵入已經(jīng)存在的生態(tài)系統(tǒng)并堅(jiān)持到那里并完成它們的工作，”Dangl說(shuō)。公司需要確保他們的首選微生物得到控制。

雖然科學(xué)家們清楚地知道不同的微生物群落合作影響植物健康，但大多數(shù)公司一次只使用一種微生物。Goldman說(shuō)，Indigo還不確定如何接近整個(gè)微生物組，但“我們當(dāng)然正在考慮它。”

研究人員開始通過(guò)研究社區(qū)中的微生物來(lái)解決這些問(wèn)題 - 例如克里斯蒂安的葉凋落物微生物組 - 而不是個(gè)體。在實(shí)驗(yàn)室中，Dangl開發(fā)了一個(gè)由188根微生物組成的合成群落。他可以將它們應(yīng)用于受干旱或高溫脅迫的植物，然后觀察群落如何響應(yīng)并影響植物。

主要目的是確定決定微生物組成員的因素。是什么決定誰(shuí)在特定工廠獲得一席之地?植物物種及其當(dāng)?shù)丨h(huán)境如何影響微生物組?植物如何歡迎友誼賽和彈射敵人?“這是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域，”Dangl說(shuō)。

Mejía警告稱，在向作物添加微生物方面存在一些風(fēng)險(xiǎn)，而這些問(wèn)題仍未得到解決。在一種情況下有益的微生物在其他植物或不同環(huán)境中可能是有害的。這不是一個(gè)牽強(qiáng)附會(huì)的場(chǎng)景：當(dāng)樹木在樹蔭下時(shí)，有一種南美棕櫚樹的真菌內(nèi)生菌可以阻止甲蟲的侵襲。然而，在陽(yáng)光下，真菌變得令人討厭，噴出過(guò)氧化氫，殺死植物組織。

雖然C. tropicale有利于可可，但該屬具有黑暗的一面：許多種類的Colletotrichum可以在從鱷梨到百日草的各種植物中引起葉子病變和腐爛的果實(shí)或花斑。