環境與生態

豐收的科學

植物群系是指植物本身以及與植物有交互作用的所有對象,例如微生物、害蟲、營養,植物與這些對象進行複雜的對話,科學家正試圖找到介入對話的方法,期望能扭轉全球欠缺糧食的未來。

撰文/布羅德福(Marla Broadfoot)
翻譯/姚若潔

環境與生態

豐收的科學

植物群系是指植物本身以及與植物有交互作用的所有對象,例如微生物、害蟲、營養,植物與這些對象進行複雜的對話,科學家正試圖找到介入對話的方法,期望能扭轉全球欠缺糧食的未來。

撰文/布羅德福(Marla Broadfoot)
翻譯/姚若潔


美國植物病理學家迪亞茲(Mercedes Diaz)踏進一片泥濘的大豆田,大豆植株高度及膝,她用塗著鮮豔指甲油的手指輕拂過十來株大豆植株的枝葉。迪亞茲一邊檢查莖、豆莢和葉片,一邊悄聲細數可能的病蟲害名單:螟蛾、灰斑病、白絹病。迪亞茲注意到幾片斑駁而纏捲的葉子,她叫道:「SDS!」意指「猝死症候群」(sudden death syndrome, SDS)。她摘下其中一片葉子交給我,我把手上皺巴巴、如手掌般大的葉子翻過來,葉子表面佈滿不規則的孔洞,還有泛黃的醜陋褐斑。這是SDS真菌產生的毒素所致,這種病害會蔓延整棵植株、毀壞豆莢、從內部開始破壞葉片。SDS名列美國作物頭號殺手,根據美國大豆聯合委員會(United Soybean Board)的統計,2014年SDS造成的收成損失達6000萬蒲式耳(穀物單位,1蒲式耳約等於36公升)。然而迪亞茲在田裡看到SDS時,卻再高興也不過。


無數科學家正在追尋新方法來保護作物免於威脅並讓收成大增,植物病理學家迪亞茲也是其中一位。2016年,迪亞茲的團隊在美國中西部和南部約50萬個實驗點,在作物種子表面塗上數千種不同的微生物,對照沒有處理過的種子同時種下。在這些試驗田的周邊,研究人員部署了「前哨田」,種植易染病的品系,作用類似礦坑中的金絲雀,警告危險可能即將來臨。當迪亞茲在前哨田發現SDS或其他病變,試驗田中卻沒有這些問題時,表示微生物可能正發揮作用,有助於培養出較健康的作物並帶來豐碩的收成。


然而,2016年9月的某個雨天,迪亞茲發現不管是試驗田或對照田,都沒有走上前哨田的命運。微生物並沒有造成效果差異──或者有呢?即使每公頃收成提高15蒲式耳(大豆的平均產量每公頃125蒲式耳),那時她仍不能區分收穫量提高的程度。她必須等到作物收成、分析了資料,才能知道這些微生物是否有所幫助。


提高作物產量


作物研究的步調通常緩慢,也不保證一定成功,但像迪亞茲這樣的科學家正感受到時間壓力。如果農業在未來數十年沒有發生根本改變,全球糧食很可能面臨匱乏。根據聯合國糧食及農業組織(FAO)的估計,到2050年,全球人口預期會從75億增加到97億。要餵養這些增加的人口以及飲食改變,例如肉類食用量增加,農夫將需提高作物產量約70%。這是一項艱難任務,加上多項令人憂心的發展趨勢,更顯得困難重重,例如全球可耕作面積因都市化和氣候變遷而不斷縮小。此外,根據FAO的資料,基本糧食作物的產量停滯不前。而肥料用量已達到了臨界點,再把更多化學物質倒入田間,造成的壞處會多過好處。甚至曾經令人又愛又恨的基改作物,也沒有像當初保證的那樣大大提高作物產量。


「我們必須停止追求萬靈丹。」科羅拉多州立大學的植物病理學家李契(Jan Leach)說:「沒有人能靠一己之力解決這個問題,這需要很多不同領域的專家以全新的方式合作。」李契和其他科學家正推動一項更全面的方法,把農田中所有因子都納入考慮,探討其交互作用如何決定作物產量;所有因子包括植物、土壤、微生物、昆蟲及氣候,整體稱為「植物群系」(phytobiome)。這個概念可回溯到19世紀英國博物學家華萊士(Alfred Russel Wallace)與達爾文(Charles Darwin)的著作,他們把大自然描述為一個彼此相互關聯的巨大網絡,而物種持續適應不斷變化的環境。


以迪亞茲鍾愛的大豆為例:當昆蟲降落在一片大豆葉上時,植物產生的反應可能是從根部分泌揮發性化學物質,這會改變土壤中的微生物組成,而這些微生物可能使得鄰近植株開啟一連串基因,讓這些植株對潛在威脅高度警戒。不過,這些植物防禦機制固然重要,面對其他環境因子時卻未必有利,例如可能無法應付氣候變遷。病原也有它們自己的驚人伎倆,有的可以像砲彈一樣從葉片表面發射出去,乘著氣流飛過田野,甚至跨越大陸。一旦升上雲層中,某些品系的高空微生物甚至可以影響天氣,召喚雨和雹,把自己送回地表。


科學家意識到這種複雜性雖然已有幾百年,但直到最近才有足夠技術,得以測量這些錯綜複雜的交互作用,研發更有系統、更永續的農業解決方案。利用基因定序工具,科學家現在可測出土壤中所有微生物,甚至是罕見的變異或難以在實驗室中培養的品系。由於肥料添加或溫度下降等原因,微生物群落會隨空間與時間發生變化,現在科學家也可一一追蹤。他們可記錄微生物、植物和其他生物之間的對話,試著解開化學訊息的溝通如何影響作物的生產力和健康。


或許有一天,農夫可以駕著配有特殊設備的牽引機到田裡,詳細調查住在田間的微生物,並取得「精準農業」(precision agriculture)標準測量值,例如土壤濕度及營養成份。這些因子可以和過去的收成、潛在病蟲害、天氣模式預測等資料整合,我們得以預測種子、營養、化學物質和微生物應該如何組合以達成最高產量。


實現這種願景的浪潮才剛開始。去年一群來自多個學門的科學家發表了一項企圖心龐大、扭轉農業未來的計畫:「植物群系:研究與轉譯路線圖」(Phytobiomes: A Roadmap for Research and Translation)。隨之誕生的是學術期刊《植物群系》(Phytobiomes),以及產學合作的「植物群系聯盟」(Phytobiomes Alliance),參與者還包括十幾家生物與農業技術公司,例如新創公司BioConsortia、Indigo,以及耳熟能詳的大公司,例如迪亞茲的老闆孟山都(Monsanto)。過去兩、三年來,這些公司重金投資研發,爭取全球農業生物市場上的一席之地,這個市場預期在2020年將達到100億美元。


在他們眼中,我們腳下的土地及住在土中的龐大微生物網絡,對於提升農業產量非常關鍵。棲息在土壤中的細菌和真菌能幫助植物生長、應付環境壓力、加強防禦反應、避免病蟲害。從1800年代晚期,農夫對此就已經有一些了解,他們會在豆子田裡施用根瘤菌(rhizobium),為土壤增加氮。現在市面上有數十種以土壤微生物群系(microbiome)為基礎的產品,還有更多產品等待上市。孟山都與丹麥諾維信公司(Novozymes)合作,大舉投資披有微生物外衣的種子,迪亞茲參與的大型實驗就是這類種子的研發工作。其他研究人員嘗試不同的方法,例如改變作物的基因組、吸引有益的微生物,改變害蟲和植物間的溝通,使植物更容易偵測到害蟲並對威脅做出反應。由於植物群系的複雜性,影響的可能途徑無限,但死巷也一樣多。挑戰的重點在於及時獲得重大突破,扭轉饑荒。


地下援軍


我和迪亞茲及她的同事一起來到伊利諾州史東寧頓邊境一處不知名的地點,我拿著一張田野地圖,圖中顯示披有微生物外衣的幾千顆種子的分佈位置,腳踏在一個水坑。這些微生物培養自大桶的營養湯汁,在巨大的不鏽鋼碗中被黏附於種子表面,然後在種植前以冷凍保存。一旦種子萌芽,這些微生物也恢復生氣;但接下來會發生什麼事,則受到植物群系中各種因子的多重影響。


我跟在迪亞茲後方進入一片玉米桿迷宮,她給我看前哨田裡幾根被粉紅色真菌覆蓋的玉米穗軸,四周還有粉蝨成群飛舞。植物沒有免疫系統,但演化出許多方法來抵禦昆蟲。有些植物可以增厚細胞壁,讓入侵者無法突破;或者把有毒的化學物質送到根部或葉子,變得不好吃。尼古丁、咖啡因、甚至讓紅酒帶有澀味的丹寧,都是植物防禦反應的產物。


幾百年來的育種與數十年來的遺傳工程都在試圖加強植物的防禦反應,以及建立其他可提升產量的有用特徵。例如,美國目前種植的玉米中,超過一半含有可殺蟲的「蘇力菌」(Bacillus thuringiensis, Bt)基因,讓這些玉米植株殺死甲蟲的幼蟲。現在科學家正在尋找其他與植物群系相關、可促進植物健康的特徵。他們已發現,植物本身消耗多達30%的能量以求吸引有利的微生物並驅趕有害的微生物。


北卡羅來納大學教堂山分校的植物學家丹格(Jeffery Dangl)正在研究改變植物基因組的方法,以進一步利用這些微生物僕從。他最近發現了一個基因,會影響住在根內部及周圍的細菌群落,以便從土壤吸收更多的磷酸,而這種營養的供應量正日益減少。


另一些植物群系的研究著重在害蟲抗性。植物通常可透過稱為「誘導原」(elicitor)的特殊化學物質偵測害蟲的出現,這種化學物質存在於嚼食植物的昆蟲唾液。賓州州立大學的昆蟲學家費爾頓(Gary Felton)和同事發現,有些甲蟲和毛蟲可以掩飾這些洩密的分子,方法是把自己腸道內的微生物吐到葉子上,讓植物以為自己不是遭到昆蟲啃食,而是受到細菌侵擾,因而產生對抗細菌的反應;這種受到誤導的反應實際上會干擾植物防禦昆蟲。最近費爾頓證實,如果餵食甲蟲特定的細菌,改變甲蟲體內微生物群系的組成,其轉變程度足以使昆蟲愚弄植物的伎倆失效(參見72頁〈操控植物群系〉)。下一波綠色革命有可能源自這些形塑植物、病蟲害與土壤居民對話的各種方法。但首先必須好好照料這些試驗作物,以及龐大的數據有待分析。


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