编者按：

当今的农业挑战令人震惊：世界人口迅速增长，但人均耕地数量不断减少，城市发展以空前的速度消耗了可用的耕地，气候正在变化，农作物的产量正处于停滞状态。

然而，曾经帮助人们提高农业生产力的传统农用化学品已经不再起效，不仅如此，农用化学品的过度使用还对环境造成了难以挽回的破坏。越来越多的国家开始出台政策以限制农用化学品的使用，当前人们急需寻找新的解决方案，在提高农作物产量的同时，还不破坏环境。

今天，我们特别关注几种与微生物密切相关的农用化学品替代方案。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些思考和启发。

农业新革命

在上个世纪，农药、化肥和植物生长促进剂等农用化学品的使用对人类至关重要。它们让农业生产力跟上了我们历史上最剧烈的人口增长，并使数十亿人免于挨饿。然而，它们对环境的影响已经变得如此深远，不容忽视，越来越多的人认为它们是 20 世纪的工具，不能迎接 21 世纪的挑战。

认识到这一转变后，欧洲联盟（EU）近期制定了一系列目标来大幅降低未来十年欧洲农用化学品的使用量。这些目标包括降低 50%的化工制剂及有毒杀虫剂的使用，还有降低 20%的化肥使用。

想要不大幅减产就达成这些目标并不是一件容易的事情。而采用创新型的农业生物技术则可以解决这一难题，并且使逐渐摆脱农用化学品这一过程变得更为轻松。

回顾历史，农业生物技术与欧盟监管机构的关系不佳。欧盟对于种植转基因作物的长期抵制态度也让欧洲的很多研究者和公司感到沮丧。他们认为这些品系是开发更高产、更稳健和更可持续的农业体系的关键工具。

然而，农业生物技术远远不止只有转基因作物（GM crops）：科学家已经应用生物技术创造出了一系列生物学解决方案，以改善我们种植作物的方式，同时还不违反现有的关于作物转基因的相关法规。

防控虫害的信息素

化学杀虫剂被设计用来通过简单无偏差的杀伤作用来控制虫害，是一种生硬的手段。这种“伤敌一千、自损八百”的方法，当被使用超过十年后，就会造成严重的环境问题。

这些杀虫剂通常是不精准且残留时间较久的，影响的不仅是想要杀灭的害虫种类，还有该区域广泛的生物多样性。这种附带的伤害被怀疑可能是造成目前令人忧心的全球昆虫数量下降的关键驱动力，其中也包括自然界中关键的传粉物种——蜜蜂。

丹麦技术大学的衍生公司 BioPhero，正率先使用昆虫信息素作为化学杀虫剂的可持续代替品。这家公司特异性地针对可以破坏大多数农作物的典型害虫飞蛾下手。

BioPhero 公司的创始人兼首席技术官（CTO）Irina Borodina 解释道：“信息素是一种昆虫使用的天然信号分子，它无毒，不残留，并且通过迷惑害虫使其无法正常交配，而非直接杀伤来保护作物。”

他补充道：“此外，基于信息素的作物保护具有物种特异性，这意味着它的作用仅限于关键的目标害虫，能保护生物多样性不发生变化。”

BioPhero 公司的信息素干预通过使用一缕诱饵信号隐藏雌性的真实位置，来迷惑雄性飞蛾。随着交配的飞蛾数量减少，它们所产的卵也越来越少，啃食作物的幼虫数目就可以保持在一个较低且可控的水平。

这种方法也存在其他的优点，因为它不是致死性的，所以不太可能导致耐药性的出现，而耐药性是传统杀虫剂面临的一个主要问题。

BioPhero 公司的首席执行官（CEO） Kristian Ebbensgaard 称：“一个世纪以来，主流农作物的农业创新都是由开发新型杀虫方法来驱动的。‘害虫死亡数’成为了效率的预期证据，而化学杀虫剂‘安装’和‘卸载’的简单性已经成为了标准。我们相信是时候让农业走向更可持续发展的未来了。”

到目前为止，农业上生物信息素用于害虫防治仍是一个小众市场。由于基于化工生产信息素的高成本过程，目前信息素的使用仅对高经济价值作物（如水果和坚果）是相对经济的。

为了克服这种负担能力所带来的阻碍，BioPhero 公司开发了一种类似啤酒发酵的发酵流程，使用工程酵母菌发酵生产飞蛾信息素。

这使得信息素的低成本、工业化生产成为了可能，使这种可持续使用的作物保护方法适用于经济价值不高，但广泛种植的常见作物如大豆、玉米和水稻。

蛋白质生物防控

农作物害虫和病原体形态各异，来自不同的生命王国。不仅有动物界的昆虫，还有真菌和细菌。这对开发出不仅具有高度靶向性，同时可适应一系列不同生物体的生物防控方法提出了巨大的挑战。

佛兰德生物技术研究所的衍生公司 Biotalys 公司（前身为 Agrosavfe 公司）提出应对这一挑战的关键在于自然界中功能最丰富的生物分子——蛋白质。

这家创建于 2013 年的比利时生物技术公司，致力于开发“农业抗体（agrobodies）”，一种被设计用于靶向识别特异性害虫的病原体的小分子蛋白。这些抗体的灵感来源于骆驼独特抗体的天然特性。

Biotalys 的首席执行官（CEO）Patrice Selles 告诉我：“骆驼是我们的灵感源泉。骆驼和骆驼科其他成员，以及鲨鱼，相较人类都具有一种特殊的免疫系统，其抗体要简单得多。从这些抗体中可以鉴定出具有高效生物活性的小分子蛋白，它们具有有趣的物化性质和稳定性。”

该公司可以针对每种靶标害虫和病原体筛选出最有效的生物活性蛋白，通过微生物发酵大规模生产，再将其配置成方便用户使用的作物防护产品。

Selles 解释称：“我们在发现和开发阶段采用的靶向性自动化方法，以及直接的调控途径，使新型生物防控的开发速度比化学活性成分的开发快了 4 年，而且成本大大降低。”

最终的结果是 agrobodies 蛋白可以解决目标害虫和病原体，且对于其他物种（包括人类）无影响，并且可生物降解，随着时间逐渐分解成可用于作为植物营养源的简单氨基酸。

Biotalys 公司最先进产品 Bio-Fun1，主要针对真菌灰霉病菌（Botrytis Cinerea），这种病菌可以影响 200 多种植物，每年给世界各地的农民造成数百亿美元的损失。该公司计划于 2022 年上市 Bio-Fun1 产品，以在未来几年内用于害虫和病菌的防控。

Patrice 说：“欧盟想要减少化学杀虫剂 50%的使用量当然是合理的，但前提是它必须与更广泛的新技术目标相结合。”

“我们基于蛋白质的新型生物防控方法结合了两个领域最佳优势：化学杀虫剂的持续有效性和生物制剂的安全清洁性，并且它可在作物收获前后进行使用，因此可以延长保质期，减少食物浪费，减少食物中的化学残留。”Patrice 说道。

征召土壤细菌

近年来，微生物组的研究领域取得了爆炸性的进展，这是由于我们在表征常驻微生物群落和研究它们对宿主生命体的影响的能力有了较大的进步。

与人类肠道细菌相关的话题经常登上头条，生物技术公司也竞相利用这些细菌用于干预治疗。而在农业研究中，常驻微生物群也成为了焦点。毕竟，植物也有微生物组。

也许最著名的致力于利用植物与细菌共生关系网络的农业生物技术公司是坐落于加利福尼亚州的 Pivot Bio 公司。这家公司的旗舰产品 PROVEN，可将基因工程菌引入土壤中，并从空气中固氮以直接供给作物。

PROVEN 产品已经在美国上市两年，在此期间，它减少甚至取代了对合成氮肥的需求。

欧盟的目标是减少 20%的合成氮肥使用量。氮肥的环境成本很高，径流到附近的水系往往会对当地生态造成严重破坏。

此外，氮肥的制造和使用还是温室气体的巨大来源。事实上，2018 年的一项研究估计，它们平均要为整个欧盟饮食中 14%的温室气体排放量负责。

几家欧洲生物技术公司正开发微生物类型的植物生长促进剂以取代农用化学品，包括西班牙的 Xtrem 生物技术公司和比利时的 ApheaBio 公司。然而在现实的田间条件下，成功将微生物引入土壤中往往会面临棘手的问题——环境因素往往会影响它们的有效性和稳定性。

为了克服这种限制，法国生物技术公司 Kapsera 开发了一种由海藻酸盐（从藻类中提取的一种材料）制备而成的可生物降解的微型胶囊，可增强生物肥料和生物杀虫剂的运输和性能。

Kapsera 公司的首席执行官（CEO）Antoine Drevelle 表示：“农民们期待的是可靠性和稳定性，这些也正是我们希望带给这些产品的。天然的活性成分，如微生物，它们更脆弱，也需要以更聪明的方式来配制，以获得不管田间条件如何都保持稳定且高性能的产品。”

每个微型胶囊都有一个液体芯片，用来容纳和保护微生物。周围则是海藻酸的壳，可以进行营养和气体交换。

经过了两年的实验室开发阶段，Kapsera 公司目前正扩大生产，预计这项技术将在近几年内投入市场。Drevell 相信这项独特的封装技术将可打破生物肥料的主要性能瓶颈，为其在农业中的大规模应用铺平道路。

图.Kapsera 公司的微型胶囊

根据欧盟的新目标，欧洲农民将面对严峻的挑战：在减少化学制剂使用的同时，不断提高产率。这两个目标看似并不相容，但一系列新兴的生物解决方案正在逐渐证明可持续使用与生产力并非一定不相容。

随着欧盟农业生物技术产业在 2019 年筹集到 2 亿 4 千 5 百万欧元的经费，同比上一年增长了 21%，一次新的农业革命的发生可能远比我们想象的更早。

原文链接：https://www.labiotech.eu/food/agricultural-biotechnology/

作者｜Farhan Mitha

编译｜Johnson

审校｜617