科技车轮大战 群殴作物杀手

或有望迈过耐药性这道坎

喷洒农药飞机在为菲律宾香蕉农场喷洒杀菌剂。 图片来源:Romeo Gacad/AFP/Getty

喷洒农药飞机在为菲律宾香蕉农场喷洒杀菌剂。 图片来源:Romeo Gacad/AFP/Getty

有必要使用各种手段,包括最新的科技和最传统的种植模式,共同保护农作物。

Broc Zoller每天早上第一件事就是看天气预报。过去5年,像他这样的美国加州农民都在和罕见的大旱作斗争。现在,他们又多了一个棘手的问题:雨水过多。

Zoller在加州莱克郡凯尔西维尔种植了酿酒用的葡萄和核桃,也将土地租给了梨农。今年1月,当地的降雨量超过了过去5年的总和。大量降雨导致土地变得泥泞不堪,从而极大妨碍了他们修剪树枝工作,并给喷洒农药带来了不便。

如果雨一直下,随着天气变暖,温暖的气温和潮湿的天气会让真菌和细菌大量繁殖,进而严重危害农作物的生长。因此,Zoller不得不考虑使用几种传统农药,以保护自己的庄稼。

但Zoller的选择范围非常窄,这主要因为严重的耐药性问题。Zoller的另外一个身份是农业病虫害防治咨询专家,他会在这些药物完全失效之前偶尔用一次这类药物。

“耐药性来得太快,只能希望雨早点停,从而得以在细菌产生耐药性之前再多洒几次药。”他说。

耐药性是困扰全世界农民的一个大问题。目前,国际农作物生命组织已经收录了586种对农作物有害的节肢动物、235种对农作物有害的真菌和252种对农作物有害的杂草。

所有这些“榜上有名”者至少对一种杀虫药(或除草剂)耐药。而这些仅仅只是科学家已经发现和记录的名单,还有很多已经产生了耐药性的有害细菌人们尚不知晓。

数十年来,农药企业不断推出新产品。但对于很多农作物而言,已经没有农药可用了。美国波士顿Lux研究公司高级分析员Sara Olson表示,近10年来,新开发抗虫药物的速度“已经降到了零”。

开发新的化学制品非常困难,而且成本昂贵。一旦该药物大量投入使用,就会快速形成耐药,除非人们能够非常合理、有计划地使用这些药物。

因此,科学家开始寻找替代方案,以减少或替代人工合成的化学杀虫药。研究人员开始关注生物技术,比如微生物、遗传工程学和生物分子学等。即使是最大的几家化工公司也都在这个领域投入了重金。

不过,这并不意味着传统的化学杀虫剂走到了尽头,生物技术只有助于减缓病害对传统杀虫剂产生耐药性的速度。Olson指出,不断出现的耐药性是推动人们继续开发新型生物杀虫剂替代产品的动力。

“但最重要的一点不在于选择化学杀虫剂还是生物杀虫剂,而是让人们意识到,在更多技术的帮助下,我们还可以在很多方面做得更好。”他说。

微生物“助手”

20世纪初,日本养蚕业经受了一次不明原因的打击。1901年,日本细菌学家Ishiwata Shigetane解开了这个谜题,他在病死的蚕体内发现了一种源自土壤的未知细菌。

10年后,德国生物学家Ernst Berliner又在面粉蛾的幼虫体内发现了这种细菌,于是将其命名为昆虫杀手——苏云金杆菌(Bt)。

Bt分泌的蛋白质能在多种昆虫的肠道上形成穿孔,因此数十年来一直被当作杀虫药使用。科学家也受到Bt的启发,不断寻找更强的杀虫微生物。华盛顿大学植物学家及病理学家Roger Beachy指出,“这并不是一个新兴的研究领域,在我上研究生时就已经有这个研究方向,那都是45年以前了。”

但杀虫微生物直到现在才成为主流。2012年,德国拜耳农业科技公司为美国加州生物杀虫公司AgraQuest投入4.25亿美元,开发相关技术。近几年来,包括杜邦、孟山都和先正达等公司在内的多家大型跨国公司也都在这方面投入了巨资。

Beachy是开发转基因粮食作物的开拓者,他也和波士顿初创公司Indigo 农业一起进入了杀虫微生物领域。

Indigo公司科研人员选择了一些微生物改善农作物的内在微生物组,并且还将这些微生物放在一种包膜里,用来包裹植物种子。种子发芽后,新生幼苗在“破壳而出”时会被坚硬的种子外壳擦伤,包裹在种子外面的微生物会趁机进入幼苗,从而提高幼苗的某种抗病虫害和抗自然灾害能力,例如抗旱能力。

其他一些公司也在积极开发微生物杀虫剂。比如加州戴维斯市的Marrone生物创新公司推出了布克氏菌,这种微生物能根据自身生长环境的不同而产生多种化学产物,能被用来制造杀虫剂、杀线虫剂和除草剂。

不过,从历史经验看,农民对于生物杀虫剂一直都持比较谨慎警惕的态度,部分原因是生物制品比化学制品更“狡猾”。比如,有些生物制品在太阳下或高温环境中容易降解。

而且生物制品往往不如化学制品效果好。

“剪刀”剪出杀虫剂

强大的CRISPR-Cas9基因编辑技术给科研人员提供了一个新武器。虽然之前的转基因技术也能直接杀死农作物病虫,或者让转基因农作物拥有抗除草剂等特性,但很难开发出抗虫的转基因农作物。

其中一个原因就是人们还不了解抗病基因在植物细胞里是如何调控的。康奈尔大学植物病理学家Adam Bogdanove表示,“在自然界,抗病基因都是受到严格束缚的,”如果这些基因过度活跃,就会损伤植物自身。

在传统的转基因农作物里,科学家并不能很精确地插入靶位置。可这些抗病基因如果不正确就位,就无法正常表达。不过,Bogdanove 指出,CRISPR-Cas9基因编辑技术十分有用,它能让你控制插入位置。

Bogdanove正在尝试借助CRISPR技术对水稻进行改造,使其具有抗条斑病和凋萎病的特性。这两种疾病都是严重危害水稻生产的细菌性疾病。Bogdanove的合作伙伴、科罗拉多大学植物病理学家Jan Leach正在对CRISPR技术和传统的基因编辑技术进行实验,并对植物的免疫系统进行靶向改造,希望通过这种方式培育出抗多种病害的品种。

科学家还利用CRISPR技术对其他农作物进行基因改造,尤其是之前很难利用传统转基因技术进行改造的品种。比如罗格斯大学科研人员就正在利用CRISPR技术对酿酒葡萄进行改造,以避免其染上霜霉病;中国北京的科研人员也培育出了抗白粉病的小麦新品种。

企业界同样投入其中。去年9月,孟山都公司就与美国博德研究院签署了一份非排他性协议,在今年2月获得了一项有争议的CRISPR技术专利。孟山都公司生物技术副总裁Tom Adams指出,他们正在研究如何更好地利用CRISPR技术开发抗病农作物新品种和耐旱农作物新品种。

CRISPR技术同样也可以用于杀虫剂领域,以提高杀虫剂的用量。据Adams介绍,利用基因编辑技术可以培育出抗除草剂新品种,但这些产品仍然颇具争议。

基因干扰与传统种植

在CRISPR技术出现之前,科研人员对另外一项遗传改造技术寄予了厚望,那就是RNA干扰技术(RNAi)。这是一种利用双链RNA分子高效关闭特定基因表达的技术。

大多数时候,使用该技术很容易对某些病害进行干扰。美国农业部资助机构、美国国家食品与农业研究院院长Sonny Ramaswamy指出,只要有了精确的遗传序列信息,他们就可以设计出相应的干扰RNA分子,从而对病虫害进行“精确打击”。

不过,RNA干扰技术也面临一些问题。例如,该技术似乎只对甲虫等特定的病虫害比较有效,而对于飞蛾及其幼虫的作用很差。而且甲虫这类对RNA干扰技术比较敏感的病虫也很快会发展出耐药性。

它还会产生附带损害,例如也会在杀死害虫的同时误伤携带有类似基因的益虫。

仅靠技术进步无法挽救农业。农民还是需要依靠传统的农业操作模式和土地管理办法。例如,植物轮作就可以有助于打破害虫的生命周期; 密集种植可以让杂草没有太多机会接受日照;恰当剪枝则有利于空气和阳光的流通,帮助植株干燥,避免霉菌繁殖等。

在加州梨园被一个个铲掉后,农民又种上了当地原有品种,比如野生燕麦、黑麦草和牵牛花。这些植物都为害虫的天敌提供了良好的生存环境。Zoller表示,有必要使用各种手段,包括最新的科技和最传统的种植模式,共同保护农作物和他们的收成。

《中国科学报》 (2017-04-24 第3版 国际)

来源:news.sciencenet.cn

标签:美国

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