Farhan Mitha 

編者按：

當(dāng)今的農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)令人震驚：世界人口迅速增長(zhǎng)，但人均耕地?cái)?shù)量不斷減少，城市發(fā)展以空前的速度消耗了可用的耕地，氣候正在變化，農(nóng)作物的產(chǎn)量正處于停滯狀態(tài)。

然而，曾經(jīng)幫助人們提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的傳統(tǒng)農(nóng)用化學(xué)品已經(jīng)不再起效，不僅如此，農(nóng)用化學(xué)品的過度使用還對(duì)環(huán)境造成了難以挽回的破壞。越來越多的國(guó)家開始出臺(tái)政策以限制農(nóng)用化學(xué)品的使用，當(dāng)前人們急需尋找新的解決方案，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，還不破壞環(huán)境。

北京鴻潤(rùn)寶順作為微生物發(fā)酵行業(yè)企業(yè)，浸淫蛋白胨、酵母浸粉領(lǐng)域多年，一直致力于發(fā)展微生物氮源技術(shù)，持續(xù)關(guān)注農(nóng)業(yè)發(fā)展前沿科技，特別是與微生物密切相關(guān)的農(nóng)業(yè)科技，選擇Farhan Mitha的這篇文章，希望能為相關(guān)的產(chǎn)業(yè)人士和諸位讀者帶來一些思考和啟發(fā)。

農(nóng)業(yè)新革命

在上個(gè)世紀(jì)，農(nóng)藥、化肥和植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑等農(nóng)用化學(xué)品的使用對(duì)人類至關(guān)重要。它們讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力跟上了我們歷史上最劇烈的人口增長(zhǎng)，并使數(shù)十億人免于挨餓。然而，它們對(duì)環(huán)境的影響已經(jīng)變得如此深遠(yuǎn)，不容忽視，越來越多的人認(rèn)為它們是 20 世紀(jì)的工具，不能迎接 21 世紀(jì)的挑戰(zhàn)。

認(rèn)識(shí)到這一轉(zhuǎn)變后，歐洲聯(lián)盟（EU）近期制定了一系列目標(biāo)來大幅降低未來十年歐洲農(nóng)用化學(xué)品的使用量。這些目標(biāo)包括降低 50%的化工制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(chǎn)就達(dá)成這些目標(biāo)并不是一件容易的事情。而采用創(chuàng)新型的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)則可以解決這一難題，并且使逐漸擺脫農(nóng)用化學(xué)品這一過程變得更為輕松。

回顧歷史，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)與歐盟監(jiān)管機(jī)構(gòu)的關(guān)系不佳。歐盟對(duì)于種植轉(zhuǎn)基因作物的長(zhǎng)期抵制態(tài)度也讓歐洲的很多研究者和公司感到沮喪。他們認(rèn)為這些品系是開發(fā)更高產(chǎn)、更穩(wěn)健和更可持續(xù)的農(nóng)業(yè)體系的關(guān)鍵工具。

然而，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止只有轉(zhuǎn)基因作物（GM crops）：科學(xué)家已經(jīng)應(yīng)用生物技術(shù)創(chuàng)造出了一系列生物學(xué)解決方案，以改善我們種植作物的方式，同時(shí)還不違反現(xiàn)有的關(guān)于作物轉(zhuǎn)基因的相關(guān)法規(guī)。

防控蟲害的信息素

化學(xué)殺蟲劑被設(shè)計(jì)用來通過簡(jiǎn)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(dāng)被使用超過十年后，就會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。

這些殺蟲劑通常是不精準(zhǔn)且殘留時(shí)間較久的，影響的不僅是想要?dú)绲暮οx種類，還有該區(qū)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(shù)量下降的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，其中也包括自然界中關(guān)鍵的傳粉物種——蜜蜂。

丹麥技術(shù)大學(xué)的衍生公司 BioPhero，正率先使用昆蟲信息素作為化學(xué)殺蟲劑的可持續(xù)代替品。這家公司特異性地針對(duì)可以破壞大多數(shù)農(nóng)作物的典型害蟲飛蛾下手。

BioPhero 公司的創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官（CTO）Irina Borodina 解釋道：“信息素是一種昆蟲使用的天然信號(hào)分子，它無毒，不殘留，并且通過迷惑害蟲使其無法正常交配，而非直接殺傷來保護(hù)作物。”

他補(bǔ)充道：“此外，基于信息素的作物保護(hù)具有物種特異性，這意味著它的作用僅限于關(guān)鍵的目標(biāo)害蟲，能保護(hù)生物多樣性不發(fā)生變化。”

BioPhero 公司的信息素干預(yù)通過使用一縷誘餌信號(hào)隱藏雌性的真實(shí)位置，來迷惑雄性飛蛾。隨著交配的飛蛾數(shù)量減少，它們所產(chǎn)的卵也越來越少，啃食作物的幼蟲數(shù)目就可以保持在一個(gè)較低且可控的水平。

這種方法也存在其他的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗皇侵滤佬缘模圆惶赡軐?dǎo)致耐藥性的出現(xiàn)，而耐藥性是傳統(tǒng)殺蟲劑面臨的一個(gè)主要問題。

BioPhero 公司的首席執(zhí)行官（CEO） Kristian Ebbensgaard 稱：“一個(gè)世紀(jì)以來，主流農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)創(chuàng)新都是由開發(fā)新型殺蟲方法來驅(qū)動(dòng)的。‘害蟲死亡數(shù)’成為了效率的預(yù)期證據(jù)，而化學(xué)殺蟲劑‘安裝’和‘卸載’的簡(jiǎn)單性已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)。我們相信是時(shí)候讓農(nóng)業(yè)走向更可持續(xù)發(fā)展的未來了。”

到目前為止，農(nóng)業(yè)上生物信息素用于害蟲防治仍是一個(gè)小眾市場(chǎng)。由于基于化工生產(chǎn)信息素的高成本過程，目前信息素的使用僅對(duì)高經(jīng)濟(jì)價(jià)值作物（如水果和堅(jiān)果）是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的。

為了克服這種負(fù)擔(dān)能力所帶來的阻礙，BioPhero 公司開發(fā)了一種類似啤酒發(fā)酵的發(fā)酵流程，使用工程酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)飛蛾信息素。

這使得信息素的低成本、工業(yè)化生產(chǎn)成為了可能，使這種可持續(xù)使用的作物保護(hù)方法適用于經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，但廣泛種植的常見作物如大豆、玉米和水稻。

蛋白質(zhì)生物防控

農(nóng)作物害蟲和病原體形態(tài)各異，來自不同的生命王國(guó)。不僅有動(dòng)物界的昆蟲，還有真菌和細(xì)菌。這對(duì)開發(fā)出不僅具有高度靶向性，同時(shí)可適應(yīng)一系列不同生物體的生物防控方法提出了巨大的挑戰(zhàn)。

佛蘭德生物技術(shù)研究所的衍生公司 Biotalys 公司（前身為 Agrosavfe 公司）提出應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于自然界中功能最豐富的生物分子——蛋白質(zhì)。

這家創(chuàng)建于 2013 年的比利時(shí)生物技術(shù)公司，致力于開發(fā)“農(nóng)業(yè)抗體（agrobodies）”，一種被設(shè)計(jì)用于靶向識(shí)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于駱駝獨(dú)特抗體的天然特性。

Biotalys 的首席執(zhí)行官（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(tǒng)，其抗體要簡(jiǎn)單得多。從這些抗體中可以鑒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(zhì)和穩(wěn)定性。”

該公司可以針對(duì)每種靶標(biāo)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(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)，再將其配置成方便用戶使用的作物防護(hù)產(chǎn)品。

Selles 解釋稱：“我們?cè)诎l(fā)現(xiàn)和開發(fā)階段采用的靶向性自動(dòng)化方法，以及直接的調(diào)控途徑，使新型生物防控的開發(fā)速度比化學(xué)活性成分的開發(fā)快了 4 年，而且成本大大降低。”

最終的結(jié)果是 agrobodies 蛋白可以解決目標(biāo)害蟲和病原體，且對(duì)于其他物種（包括人類）無影響，并且可生物降解，隨著時(shí)間逐漸分解成可用于作為植物營(yíng)養(yǎng)源的簡(jiǎn)單氨基酸。

Biotalys 公司最先進(jìn)產(chǎn)品 Bio-Fun1，主要針對(duì)真菌灰霉病菌（Botrytis Cinerea），這種病菌可以影響 200 多種植物，每年給世界各地的農(nóng)民造成數(shù)百億美元的損失。該公司計(jì)劃于 2022 年上市 Bio-Fun1 產(chǎn)品，以在未來幾年內(nèi)用于害蟲和病菌的防控。

Patrice 說：“歐盟想要減少化學(xué)殺蟲劑 50%的使用量當(dāng)然是合理的，但前提是它必須與更廣泛的新技術(shù)目標(biāo)相結(jié)合。”

“我們基于蛋白質(zhì)的新型生物防控方法結(jié)合了兩個(gè)領(lǐng)域最佳優(yōu)勢(shì)：化學(xué)殺蟲劑的持續(xù)有效性和生物制劑的安全清潔性，并且它可在作物收獲前后進(jìn)行使用，因此可以延長(zhǎng)保質(zhì)期，減少食物浪費(fèi)，減少食物中的化學(xué)殘留。”Patrice 說道。

征召土壤細(xì)菌

近年來，微生物組的研究領(lǐng)域取得了爆炸性的進(jìn)展，這是由于我們?cè)诒碚鞒ｑv微生物群落和研究它們對(duì)宿主生命體的影響的能力有了較大的進(jìn)步。

與人類腸道細(xì)菌相關(guān)的話題經(jīng)常登上頭條，生物技術(shù)公司也競(jìng)相利用這些細(xì)菌用于干預(yù)治療。而在農(nóng)業(yè)研究中，常駐微生物群也成為了焦點(diǎn)。畢竟，植物也有微生物組。

也許最著名的致力于利用植物與細(xì)菌共生關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)公司是坐落于加利福尼亞州的 Pivot Bio 公司。這家公司的旗艦產(chǎn)品 PROVEN，可將基因工程菌引入土壤中，并從空氣中固氮以直接供給作物。

PROVEN 產(chǎn)品已經(jīng)在美國(guó)上市兩年，在此期間，它減少甚至取代了對(duì)合成氮肥的需求。

歐盟的目標(biāo)是減少 20%的合成氮肥使用量。氮肥的環(huán)境成本很高，徑流到附近的水系往往會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)造成嚴(yán)重破壞。

此外，氮肥的制造和使用還是溫室氣體的巨大來源。事實(shí)上，2018 年的一項(xiàng)研究估計(jì)，它們平均要為整個(gè)歐盟飲食中 14%的溫室氣體排放量負(fù)責(zé)。

幾家歐洲生物技術(shù)公司正開發(fā)微生物類型的植物生長(zhǎng)促進(jìn)劑以取代農(nóng)用化學(xué)品，包括西班牙的 Xtrem 生物技術(shù)公司和比利時(shí)的 ApheaBio 公司。然而在現(xiàn)實(shí)的田間條件下，成功將微生物引入土壤中往往會(huì)面臨棘手的問題——環(huán)境因素往往會(huì)影響它們的有效性和穩(wěn)定性。

為了克服這種限制，法國(guó)生物技術(shù)公司 Kapsera 開發(fā)了一種由海藻酸鹽（從藻類中提取的一種材料）制備而成的可生物降解的微型膠囊，可增強(qiáng)生物肥料和生物殺蟲劑的運(yùn)輸和性能。

Kapsera 公司的首席執(zhí)行官（CEO）Antoine Drevelle 表示：“農(nóng)民們期待的是可靠性和穩(wěn)定性，這些也正是我們希望帶給這些產(chǎn)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制，以獲得不管田間條件如何都保持穩(wěn)定且高性能的產(chǎn)品。”

每個(gè)微型膠囊都有一個(gè)液體芯片，用來容納和保護(hù)微生物。周圍則是海藻酸的殼，可以進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)和氣體交換。

經(jīng)過了兩年的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段，Kapsera 公司目前正擴(kuò)大生產(chǎn)，預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將在近幾年內(nèi)投入市場(chǎng)。Drevell 相信這項(xiàng)獨(dú)特的封裝技術(shù)將可打破生物肥料的主要性能瓶頸，為其在農(nóng)業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用鋪平道路。

根據(jù)歐盟的新目標(biāo)，歐洲農(nóng)民將面對(duì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：在減少化學(xué)制劑使用的同時(shí)，不斷提高產(chǎn)率。這兩個(gè)目標(biāo)看似并不相容，但一系列新興的生物解決方案正在逐漸證明可持續(xù)使用與生產(chǎn)力并非一定不相容。

隨著歐盟農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)在 2019 年籌集到 2 億 4 千 5 百萬歐元的經(jīng)費(fèi)，同比上一年增長(zhǎng)了 21%，一次新的農(nóng)業(yè)革命的發(fā)生可能遠(yuǎn)比我們想象的更早。

原文鏈接：https://www.labiotech.eu/food/agricultural-biotechnology/

作者｜Farhan Mitha

編譯｜Johnson

審校｜617