下一次農業革命，微生物或為突破口
這是《腸道產業》第376篇文章
編者按：
當今的農業挑戰令人震驚：世界人口迅速增長，但人均耕地數量不斷減少，城市發展以空前的速度消耗了可用的耕地，氣候正在變化，農作物的產量正處於停滯狀態。
然而，曾經幫助人們提高農業生產力的傳統農用化學品已經不再起效，不僅如此，農用化學品的過度使用還對環境造成了難以挽回的破壞。越來越多的國家開始出臺政策以限制農用化學品的使用，當前人們急需尋找新的解決方案，在提高農作物產量的同時，還不破壞環境。
今天，我們特別關注幾種與微生物密切相關的農用化學品替代方案。希望本文能夠為相關的同行帶來一些思考和啟發。
農業新革命
在上個世紀，農藥、化肥和植物生長促進劑等農用化學品的使用對人類至關重要。它們讓農業生產力跟上了我們歷史上最劇烈的人口增長，並使數十億人免於捱餓。然而，它們對環境的影響已經變得如此深遠，不容忽視，越來越多的人認為它們是 20 世紀的工具，不能迎接 21 世紀的挑戰。
認識到這一轉變後，歐洲聯盟（EU）近期制定了一系列目標來大幅降低未來十年歐洲農用化學品的使用量。這些目標包括降低 50%的化工製劑及有毒殺蟲劑的使用，還有降低 20%的化肥使用。
想要不大幅減產就達成這些目標並不是一件容易的事情。而採用創新型的農業生物技術則可以解決這一難題，並且使逐漸擺脫農用化學品這一過程變得更為輕鬆。
回顧歷史，農業生物技術與歐盟監管機構的關係不佳。歐盟對於種植轉基因作物的長期抵制態度也讓歐洲的很多研究者和公司感到沮喪。他們認為這些品系是開發更高產、更穩健和更可持續的農業體系的關鍵工具。
然而，農業生物技術遠遠不止只有轉基因作物（GM crops）：科學家已經應用生物技術創造出了一系列生物學解決方案，以改善我們種植作物的方式，同時還不違反現有的關於作物轉基因的相關法規。
防控蟲害的資訊素
化學殺蟲劑被設計用來通過簡單無偏差的殺傷作用來控制蟲害，是一種生硬的手段。這種“傷敵一千、自損八百”的方法，當被使用超過十年後，就會造成嚴重的環境問題。
這些殺蟲劑通常是不精準且殘留時間較久的，影響的不僅是想要殺滅的害蟲種類，還有該區域廣泛的生物多樣性。這種附帶的傷害被懷疑可能是造成目前令人憂心的全球昆蟲數量下降的關鍵驅動力，其中也包括自然界中關鍵的傳粉物種——蜜蜂。
丹麥技術大學的衍生公司 BioPhero，正率先使用昆蟲資訊素作為化學殺蟲劑的可持續代替品。這家公司特異性地針對可以破壞大多數農作物的典型害蟲飛蛾下手。
BioPhero 公司的創始人兼首席技術官（CTO）Irina Borodina 解釋道：“資訊素是一種昆蟲使用的天然訊號分子，它無毒，不殘留，並且通過迷惑害蟲使其無法正常交配，而非直接殺傷來保護作物。”
他補充道：“此外，基於資訊素的作物保護具有物種特異性，這意味著它的作用僅限於關鍵的目標害蟲，能保護生物多樣性不發生變化。”
BioPhero 公司的資訊素干預通過使用一縷誘餌訊號隱藏雌性的真實位置，來迷惑雄性飛蛾。隨著交配的飛蛾數量減少，它們所產的卵也越來越少，啃食作物的幼蟲數目就可以保持在一個較低且可控的水平。
這種方法也存在其他的優點，因為它不是致死性的，所以不太可能導致耐藥性的出現，而耐藥性是傳統殺蟲劑面臨的一個主要問題。
BioPhero 公司的執行長（CEO） Kristian Ebbensgaard 稱：“一個世紀以來，主流農作物的農業創新都是由開發新型殺蟲方法來驅動的。‘害蟲死亡數’成為了效率的預期證據，而化學殺蟲劑‘安裝’和‘解除安裝’的簡單性已經成為了標準。我們相信是時候讓農業走向更可持續發展的未來了。”
到目前為止，農業上生物資訊素用於害蟲防治仍是一個小眾市場。由於基於化工生產資訊素的高成本過程，目前資訊素的使用僅對高經濟價值作物（如水果和堅果）是相對經濟的。
為了克服這種負擔能力所帶來的阻礙，BioPhero 公司開發了一種類似啤酒發酵的發酵流程，使用工程酵母菌發酵生產飛蛾資訊素。
這使得資訊素的低成本、工業化生產成為了可能，使這種可持續使用的作物保護方法適用於經濟價值不高，但廣泛種植的常見作物如大豆、玉米和水稻。
蛋白質生物防控
農作物害蟲和病原體形態各異，來自不同的生命王國。不僅有動物界的昆蟲，還有真菌和細菌。這對開發出不僅具有高度靶向性，同時可適應一系列不同生物體的生物防控方法提出了巨大的挑戰。
佛蘭德生物技術研究所的衍生公司 Biotalys 公司（前身為 Agrosavfe 公司）提出應對這一挑戰的關鍵在於自然界中功能最豐富的生物分子——蛋白質。
這家創建於 2013 年的比利時生物技術公司，致力於開發“農業抗體（agrobodies）”，一種被設計用於靶向識別特異性害蟲的病原體的小分子蛋白。這些抗體的靈感來源於駱駝獨特抗體的天然特性。
Biotalys 的執行長（CEO）Patrice Selles 告訴我：“駱駝是我們的靈感源泉。駱駝和駱駝科其他成員，以及鯊魚，相較人類都具有一種特殊的免疫系統，其抗體要簡單得多。從這些抗體中可以鑑定出具有高效生物活性的小分子蛋白，它們具有有趣的物化性質和穩定性。”
該公司可以針對每種靶標害蟲和病原體篩選出最有效的生物活性蛋白，通過微生物發酵大規模生產，再將其配置成方便使用者使用的作物防護產品。
Selles 解釋稱：“我們在發現和開發階段採用的靶向性自動化方法，以及直接的調控途徑，使新型生物防控的開發速度比化學活性成分的開發快了 4 年，而且成本大大降低。”
最終的結果是 agrobodies 蛋白可以解決目標害蟲和病原體，且對於其他物種（包括人類）無影響，並且可生物降解，隨著時間逐漸分解成可用於作為植物營養源的簡單氨基酸。
Biotalys 公司最先進產品 Bio-Fun1，主要針對真菌灰黴病菌（Botrytis Cinerea），這種病菌可以影響 200 多種植物，每年給世界各地的農民造成數百億美元的損失。該公司計劃於 2022 年上市 Bio-Fun1 產品，以在未來幾年內用於害蟲和病菌的防控。
Patrice 說：“歐盟想要減少化學殺蟲劑 50%的使用量當然是合理的，但前提是它必須與更廣泛的新技術目標相結合。”
“我們基於蛋白質的新型生物防控方法結合了兩個領域最佳優勢：化學殺蟲劑的持續有效性和生物製劑的安全清潔性，並且它可在作物收穫前後進行使用，因此可以延長保質期，減少食物浪費，減少食物中的化學殘留。”Patrice 說道。
徵召土壤細菌
近年來，微生物組的研究領域取得了爆炸性的進展，這是由於我們在表徵常駐微生物群落和研究它們對宿主生命體的影響的能力有了較大的進步。
與人類腸道細菌相關的話題經常登上頭條，生物技術公司也競相利用這些細菌用於干預治療。而在農業研究中，常駐微生物群也成為了焦點。畢竟，植物也有微生物組。
也許最著名的致力於利用植物與細菌共生關係網路的農業生物技術公司是坐落於加利福尼亞州的 Pivot Bio 公司。這家公司的旗艦產品 PROVEN，可將基因工程菌引入土壤中，並從空氣中固氮以直接供給作物。
PROVEN 產品已經在美國上市兩年，在此期間，它減少甚至取代了對合成氮肥的需求。
歐盟的目標是減少 20%的合成氮肥使用量。氮肥的環境成本很高，徑流到附近的水系往往會對當地生態造成嚴重破壞。
此外，氮肥的製造和使用還是溫室氣體的巨大來源。事實上，2018 年的一項研究估計，它們平均要為整個歐盟飲食中 14%的溫室氣體排放量負責。
幾家歐洲生物技術公司正開發微生物型別的植物生長促進劑以取代農用化學品，包括西班牙的 Xtrem 生物技術公司和比利時的 ApheaBio 公司。然而在現實的田間條件下，成功將微生物引入土壤中往往會面臨棘手的問題——環境因素往往會影響它們的有效性和穩定性。
為了克服這種限制，法國生物技術公司 Kapsera 開發了一種由海藻酸鹽（從藻類中提取的一種材料）製備而成的可生物降解的微型膠囊，可增強生物肥料和生物殺蟲劑的運輸和效能。
Kapsera 公司的執行長（CEO）Antoine Drevelle 表示：“農民們期待的是可靠性和穩定性，這些也正是我們希望帶給這些產品的。天然的活性成分，如微生物，它們更脆弱，也需要以更聰明的方式來配製，以獲得不管田間條件如何都保持穩定且高效能的產品。”
每個微型膠囊都有一個液體晶片，用來容納和保護微生物。周圍則是海藻酸的殼，可以進行營養和氣體交換。
經過了兩年的實驗室開發階段，Kapsera 公司目前正擴大生產，預計這項技術將在近幾年內投入市場。Drevell 相信這項獨特的封裝技術將可打破生物肥料的主要效能瓶頸，為其在農業中的大規模應用鋪平道路。
圖.Kapsera 公司的微型膠囊
根據歐盟的新目標，歐洲農民將面對嚴峻的挑戰：在減少化學制劑使用的同時，不斷提高產率。這兩個目標看似並不相容，但一系列新興的生物解決方案正在逐漸證明可持續使用與生產力並非一定不相容。
隨著歐盟農業生物技術產業在 2019 年籌集到 2 億 4 千 5 百萬歐元的經費，同比上一年增長了 21%，一次新的農業革命的發生可能遠比我們想象的更早。
原文連結：https://www.labiotech.eu/food/agricultural-biotechnology/
作者｜Farhan Mitha
編譯｜Johnson
審校｜617
編輯｜笑咲
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