真菌或成未来 “生物肥料”

钟科

科学家表示，真菌与植物根系之间的“古老关系”创造了一种促进根系生长的基因表达。某一天，普通的真菌能够被用作“生物肥料”，进而取代即将面临开采枯竭危机的磷酸盐。

新近发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的研究发现，真菌与根系之间的互动改变了水稻的基因表达——触发额外根系的生长并使水稻吸收更丰富的营养。

除了带来额外根系的生长之外，在细胞层面上，细胞菌根菌也参与了根系生长。真菌长出了薄薄的卷须——菌丝，它们延展到植株周边的土壤中并吸取营养，特别是磷酸盐直接进入植物细胞的核心。

被真菌“殖民”了的植物通过菌丝直接获得了70%～100%的磷酸盐。这是巨大的矿物质的增加，或许最终能减少农民为确保最大产量而在田里大量施用磷酸盐肥的需求。

人们希望，某一天真菌能成为“生物肥料”，从整个肥料行业的根基上，最终取代对磷酸盐开采的需求。寻找磷酸盐矿的取代物是关键问题，不仅仅在于该合成肥料是一种污染物——造成藻类的生长从而阻碍水资源供应，也是因为磷酸盐矿现在正面临枯竭的节点——它们被预计将在未来30～50年内耗尽。

“我们尝试回答的最大问题是，是否能够以及如何在现代农业高投入和集约化的条件下，利用这种生物肥料的菌根共生能力。如果要养活不断增加的人口，我们需要磷酸盐的替代物。”剑桥大学植物科学系博士Paszkowski说。

“大米、小麦和玉米等谷物是世界上最重要的农作物，每天喂养数十亿计的人类。菌根菌与植物之间有共生关系，这种关系可以回溯到陆地上植物生命的早期，在植物根系‘创造之前。我们对这种古老且普遍的共生关系进行了分析，发现可以用最好的根系和共生特性来繁殖作物——通过‘设计使作物获得高产出。”Paszkowski说。

这项新研究在分子水平上对成年水稻植株根系系统的结构单元进行了测试，因水稻模型能用于一般的谷物。谷物根系的“建筑”涉及一些被称为冠根的大的、粗短的根，它们就像脚手架一样，那些更小的侧根从这里延伸至含有各种营养的不同土壤层中。

研究人员发现，那些被菌根菌“殖民”了的植株有着不同的基因表达，使得冠根的细胞壁软化，引发更多侧根生长，从而吸收更多的营养，形成更高产的、更为健康的植株。除了通过菌丝提供磷酸盐之外，这其实是作为额外的根系而存在的。作为回报，真菌从植株中获取碳水化合物。

“植物的根系具有开拓最广阔面积的土壤且从中吸收最丰富营养的能力，从而获取更高的产量。通过找出基因的哪一部分负责植株根系，我们可以开始繁殖最好的根系‘建筑。”Paszkowski说，“给农作物‘设计最好的根系意味着更高的产量，也意味着更多的人被养活。”

水稻在灌溉良好的田中生长最佳，但在世界上的许多地方并没有这样的好选择，全球水稻种植区40%以上属于“干旱”。然而，菌根关系创造的增产效果实际上在干旱的环境中表现最好。对亚洲以及撒哈拉以南非洲那些依赖水稻生产的贫穷地区，菌根菌能带来巨大的好处。

对于研究者而言，要克服的主要障碍是植株的自我调节，即与传统肥料相比，真菌无法在工业规模上进行试验。

“植株检测自己的营养状况，如果一株植物有足够的磷酸盐摄入，它将不允许真菌再进入根系。在这个时刻，就是非此即彼的选择。我们正在寻找办法规避这种阻碍。”Paszkowski说。