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这些不起眼的细菌有一种特殊能力——让田地生长出更多农作物,公司计划利用这些融资

  • 2020-01-06 03:32
  • 科技探索
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孟山都公司1月4日宣布了在过去一年中在研发方面取得的最新进展。在公司的五个研发平台(数据科学,植物育种,植物生物技术,作物保护和农业生物技术)中,项目数量创历史新高,顺利进展的项目数量连续第五年达到20个以上。

近日,农业生物技术公司 BioConsortia 宣布完成 1200 万美元融资,由现有投资者 Khosla Ventures 和 Otter Capital 参投。公司计划利用这些融资,进一步加大研发力度,并推进实地试验计划的实施。

图片拍摄于宾夕法尼亚州的森特罗利亚,显示的是地煤层正肆虐燃烧的景象。那儿的煤火一直在地下闷烧了六十年之久。现在,科学家们认为在这片高温土壤中可能含有能够提高农作物产量的细菌。

亚搏娱乐网页版入口 3 孟山都公司执行副总裁兼首席技术官Robb Fraley博士表示,“农民满足全球粮食和纤维需求的能力将持续受到土地和水资源的限制,同时也受气候变化的影响,所以我们需要种植更多的作物,但是我们需要用更少的水和更少的能源来做到这一点。” “我们为每一个“联合国可持续发展17项目标”做出贡献,我们研发中的许多项目反映了我们对现代农业气候智能实践的承诺。农民们将继续努力克服干旱,野草,害虫和植物病害,同时努力发掘田地中的机会。” “而且,我们的研究人员在早期即采用数据科学创新将帮助农民实现他们的目标,对环境和对消费者都是有益的。”Robb Fraley博士说。

BioConsortia 创立于 2014 年,致力于通过微生物解决方案改善天然植物性状,提高作物产量。公司采用自主研发的“先进微生物筛选流程”(Advanced Microbial Selection)专利技术,让作物接触不同的土壤和微生物群落,并筛选出那些能够在干旱、寒冷等恶劣环境中表现最佳的有益群落,并进行有目标的培育。然后,公司通过植物基因表达和微生物分析,确定具体是哪一种微生物对植物耐逆境作出了贡献,从而研发出相应的微生物产品。BioConsortia 目前主要专注于那些能够提高化肥使用率,改善植物生长过程,并提高生物耐受性的产品。

摄影:TEAKE ZUIDEMA,HOLLANDSE HOOGTE/REDUX

5大技术助力农民预防病虫威胁

2014 年 4 月,BioConsortia 曾获得 1500 万美元 B 轮融资,同样是由 Khosla Ventures 和 Otter Capital 参投。此轮融资之后,公司也由新西兰搬迁到美国,并在加利福尼亚州戴维斯设立总部并展开运营,之后公司也将研究重点集中到了美国微生物、种子遗传学、可持续肥料以及农艺操作的研发和改善上来。

在去年二月,寒冷的冬日。Maren Friesen驱车八小时横跨冰雪覆盖的平原,来到了宾夕法尼亚州的森特罗利亚。

亚搏娱乐网页版入口 4 根据联合国粮食及农业组织的统计,每年全世界潜在收成中有40%的损失是由于害虫,杂草和植物病害造成的。过去一个世纪,作物保护途径越来越多,使农民能生产更多的作物,且对环境影响更小。

最近,BioConsortia 新推出了几个生物杀虫剂项目,来确定一些重点微生物解决方案,已对抗种子和土壤传播的作物疾病和害虫。除此之外,公司计划在 2017 年进一步推进实地试验计划,增加试验数量,将对玉米、大豆和小麦这三种作物进行耐旱性和化肥利用率的特性研究,并进行生物杀虫剂试验,用于对抗高价值蔬菜作物土壤传播疾病以及玉米根虫等害虫。

1961年,小镇下面的煤层开始燃烧,持续了六十多年。这片荒地可谓是热气腾腾、浓烟滚滚——它是解开“世界粮食供给之谜”的关键。

孟山都帮助农民预防威胁的研发项目进展

Friesen是一位微生物学家,他在这片诡异的高温土壤里寻找着可生存的微生物。这些不起眼的细菌有一种特殊能力——让田地生长出更多农作物。

棉花盲蝽和蓟马的控制技术。该技术正在推进到第四阶段,旨在保护农民的棉花作物免受由盲蝽,蓟马和飞虱引起的损害。这项技术有可能是第一个控制所有三种棉花害虫的技术,同时可能会减少农民喷洒在其植物上的杀虫剂量。 TreceptaTM技术。将于2018年推出,旨在帮助农民保护其玉米作物免受破坏性昆虫的侵害。 NemaStrikeTM技术。旨在保护玉米、大豆和棉花作物免受线虫危害。为了控制线虫,BioAg Alliance与Novozymes开发的大豆生物杀线虫剂产品使用土壤微生物来防治线虫,其研发已进入第三阶段。 **Climate公司的疾病诊断和识别技术。亚搏娱乐网页版入口 ,利用人工智能实时识别和诊断玉米,大豆和小麦疾病,帮助农民在生长季节快速保护作物。这项技术已从开发阶段发展到商业前阶段。新型配方和成熟的除草剂组合**,例如Harness®Max AcetochlorPremix,Next GenDicamba Premix和Acetochlor + Dicamba + 3rd MOAPremix等产品中,将帮助农民管理杂草。

十多年前,德国科学家就描绘过这种难以捉摸的细菌,即嗜热放线菌。这些细菌有一种特殊的本领,可以把空气中的氮转化成植物可用的氮,甚至在有氧气存在的情况下。

土壤微生物提升耕种土地利用

并且,通常来说,氧气会破坏那些释放氮气的细菌酶。这一过程被称为“固氮运动”。

“在家庭农场中,我们努力综合利用产品,技术和信息手段,使我们在土地和社会的可持续发展中高效生产作物。了解这些作用使我们能够在正确的时间,正确的使用产品。”孟山都公司全球生产力技术负责人Matt Helms表示。 “我们的研发进展中有广泛的技术。其中一些比较知名的包括新一代除草剂预混剂,另外一些则是突破性的,新颖的,如种子上的土壤微生物和人工智能。”Matt Helms说。亚搏娱乐网页版入口 5 农民除了预防农作物受到的威胁之外,还寻求耕种土地的充分利用。每寸土壤都有丰收的潜力,而孟山都公司的研究“从种子土壤微生物到通过选择性育种提高植物产量”帮助农民最大限度地发挥这种潜力。

但是,在我们初次发现这些细菌的踪影之后,它们就消失不见了。如果能再次找到它们,那么这种能力就可以应用到那些通常无法固定氮的植物上,农民们就可以用更少的化肥种植更多的作物。

耕种土地的充分利用涵盖的项目进展

而且这只是其中一种能改变农业生产的细菌。在我们脚下,数以百万计的微生物都是改善农业的工具,还尚未开发。这些微生物能让土壤变得肥沃,帮助植物生长;科学家们希望能利用它们,或者至少借用它们的能力来提高作物产量。

Corn BioYield 2根据监管部门的批准,预计注册品牌为Acceleron®B-360 ST,该品种使用土壤微生物作为种子包衣来增加植物吸收养分的能力。这个项目由BioAg联盟生产,已进入第四阶段,并在该领域持续表现强劲。 孟山都公司的高密度玉米系统。于2018年推出,该系统使用常规育种技术帮助玉米种子在田间高密度种植时拥有良好表现。农民可以利用这个这项技术最大限度地提升种植密度,充分利用阳光,水和土壤等营养成分。 蔬菜种子。孟山都公司的蔬菜育种计划平均每年为农民提供超过125种新品种。每年可种植20种作物,其农艺性能,味道,大小,颜色或形状等重要性状都有所改善。这些年度育种升级计划帮助孟山都的蔬菜种植者在农产品价值链中取得更大的成功。 Climate公司的先进的种子处方工具。农民能够结合多个数据集(农民的独有的现场数据,结合天气,土壤和实地研究数据),根据具体的遗传学和他们特定的产量目标提供种子处方。

现在,无论是大学里的研究者还是主要的农业公司都在寻找利用土壤细菌的新方式。

创新研究助力农业精准投入

一些人希望能用微生物的基因开展植物基因工程,或者种植一些与有益土壤微生物相结合的作物,从而改变微生物群落的集合,来促进植物生长。

亚搏娱乐网页版入口 6 土壤,水和能源节约是农业经营中重要环节。在当今不断变化的气候条件下,农民不断采取创新的方式节约自然资源,同时更加精准地投入种子,农药,肥料等农业投入。现代农业正在努力为他们提供必要的工具来完成这项工作。

一些创业公司和知名公司正在竞相售卖微生物混合物和所谓的生物制剂来做到这一点。

孟山都精准农业投入技术研究进展

Friesen承认,用细菌的技巧来改造植物的想法听起来很大胆——虽然很冒险,但其前景非常广阔。这就是重点。第一次绿色革命始于20世纪50年代,让农作物的产量几乎翻了一番。

Climate公司的氮肥管理技术。该技术结合了数据来源,帮助农民决定氮肥的量和度,减少过度使用。HydroBio灌溉管理平台和先进的灌溉研究分析了作物灌溉数据,使农民能够更有效地管理用水。 第四代耐除草剂棉花的耐除草剂系统的进展。预计将进一步实现免耕和保护性耕作,保护土壤的顶层,限制其流入河流和湖泊。 除了已有的Trecepta技术之外,抗虫系统也在不断进步探索。第四代玉米地上保护技术,可以帮助减少农民必要的农药用量,节约燃料并减少碳排放量。

“如果我们能利用微生物的能力,为种植业固定住大气中的氮,”她说:“那将有可能促成第二次绿色革命。”

公司首席科学家Sam Eathington博士说:“数据驱动的创新不仅仅是提高产量。这也是帮助农民管理种子,化肥和水等关键农业投入,从而以更可持续的方式获得最大收益。” 孟山都公司从算法、分析到深度学习和人工智能,数据科学正在改变农业世界。面对气候变化,这些领域的进步正在帮助农民种植我们所需要的食物,同时更有效地利用自然资源。

大豆根瘤上的固氮细菌。固氮细菌能够把空气中的氮转化为植物可利用的形式。

孟山都的信息技术合作伙伴和推广负责人Anju Gupta表示:“孟山都的植物育种专家、气候科学家和土壤微生物学家是业界最早应用数据科学,人工智能和机器学习的科学家。作为植物育种专家和定量遗传学家,多年来,我的团队依靠数据预测分析来决定推出哪些产品,致使我们在种子播种前就了解每种种子的潜力。” “同样,我们的蔬菜研究团队正在开发建模工具,可以预测番茄等作物的味道表现,而我们的土壤微生物研究小组则依靠分析来评估每年数以十万计的菌株。”Anju Gupta说。

摄影:VISUALS UNLIMITED/CORBIS

转自孟山都官网,由国科现代农业产业科技创新研究院编译

寻找失踪的微生物

今年早些时候,Friesen和实验室的研究人员Jeff Norman在山坡上发现了一个活跃的排气口,那里的雪因为受热而融化。

地面摸上去很热,四溢的羽毛状烟云中可检测出一氧化碳——这里正是他所期待的“新大陆”。他们用封口袋采集了土壤样本,希望能捉住细菌猎物。

从某种意义上说,这种消失的微生物意味着远古微生物关系的转变。豆科植物——例如豆子、大豆、苜蓿、花生和豌豆——已经和根部的固氮微生物一起生活在舒适的共生关系里。

植物根部的分泌物可以保护这些细菌躲开氧,因为氧会抑制它们的固氮能力;植物还会为微生物提供碳,以此来换取氮。这也就是为什么长久以来,农民会种植这些作物让土壤变得更加肥沃。

但全世界的“口粮”,包括玉米、小麦和稻谷,完全缺乏这种在根部培养细菌帮手来恢复土壤肥力的能力。

这就是嗜热放线菌的特殊之处。它们和其他的固氮细菌不一样,它们可以在有氧环境中施展神力,这极大地扩展了人类可利用的植物种类。这可能意味着固氮的关系可以延伸到玉米、稻、小麦,以及全世界的大部分粮食作物。

今天,农民们使用的氮比自然界提供的要多得多,且依赖于20世纪的一项发明:哈布二氏法。这种方法能把氮从空气中提取出来,制成合成肥料。

这种把氮气转化为氨的工业生产过程代价高昂且效率低下,且占人类食用蛋白质的全部氮含量的40%。

Friesen的项目想为这个“老大难”的问题带来一个激进的新方法。“从很多方面来说,植物微生物是一片未知的领域,直到现在,它仍然处在我们的视野之外。” 土壤学家Wayne Parrott说。

在炙热的地下找到这些难以捉摸的细菌只是第一步。第二步将涉及到复杂的生物工程:找到细菌在含氧条件下起到固氮作用的基因,然后把它们结合到植物身上,这样植物就可以生成与其相同的特性。

“我不想留下这样的印象,即如果找到了一种新的酶,就把它放进作物内,突然之间,所有人都抛弃了肥料种植,”Friesen说:“这个研究转化的过程需要很多时间。”

Friesen认为,宣布这一重大发现还言之过早。“即使它并不存在,只是相似,但我们终究无法确定它们是否真实存在?我们要不抱成见,以现实的态度对待可能发现的事物。”

红花菜豆含有固氮细菌的根瘤。红花菜豆一类的豆科植物的根部有隆起物,或者叫小瘤。这些小瘤庇护着厌氧细菌——它们可以把大气中的氮转化成植物可利用的形式。科学家们希望能利用喜氧细菌,把这种能力发展到非豆科植物上。

摄影:DAVE BEVAN,ALAMY

微生物养活全世界

对于研究人员来说,土壤微生物为提高其他方面的产量提供了新的机会——通过避开特定的应力,例如害虫和疾病,来改善营养的获取渠道,或者减少复合氮肥的需求。

土壤具有多样性和丰富性,令人难以置信。而叶子的细胞数量庞大,达到了100乘以一千的八次方,叶子所覆盖的细胞表面积也是最大的,这无疑让天文学相形见绌。

Jack A. Gilbert说,“发掘大规模的资源潜力很有前景。地球微生物组打算记录下丰富多种的微生物种类”。

“这能帮助我们种植更顽强、更有弹性的植物,”Gilbert说:“但我们需要做更多的工作,来描绘作物与微生物之间的关系。”

就像人体内的微生物——数十万亿的微生物生活在我们体内——作物的不同部分形成了不同的微生物群体。比如在某些植根的周围,有约30,000种微生物。它们混杂在不同的植物品种和土壤中。

然而,对于它们的情况我们知之甚少。“人类研究肠道细菌的时间更长,投入更多”,教堂山北卡罗来纳大学的研究者Jeff Dangl说,他研究的是生活在植物根部的微生物。

“如果你问:‘为什么100多种不同的菌落类群可以进入根部且一直生活在那里?’答案是,我们一无所知。”

同样地,Dangl认为,这将会是一项挑战:若想解开植物微生物之间的相互作用之谜,并防止真菌感染和杀死作物,如小麦全蚀病。那么,掌握可利用的混合微生物,就等于拥有了一次良好机会,因为至少其中一种是有用的”,他说道。

在威斯康星州,人们会在玉米地里间种苜蓿和大豆。长久以来,农民们会把豆类作物和非豆类作物混种在一起,来提高土壤的肥力。豆类作物所庇护的细菌可以为作物提供必须的养分:氮元素。

摄影:PETER ESSICK,《国家地理》

生物制品的繁荣

微生物的利用已经成为一项大生意。有多种形式的新型生物制剂:一些可以用来喷洒,就像化学农药、除草剂或是杀虫剂。

来自于天然微生物的喷雾和种衣剂也同样可以作为催化剂,用于提高营养摄取量、刺激作物增长。

对于农民来说,促进植物的健康生长并不是简单的事情;他们需要预测足够的产量来确定额外的费用,就像投资银行的Piper Jaffray在最近所做的贸易报告中说,“在很多方面,工业正在紧随着类似20世纪80年代种子行业的方式:等待一个拳头产品来打开未来几十年的的持续增长。”

例如,上个月,Monsanto和Novozymes在爱荷华州发布了“转型的生物产品”,这种产品在试验田里提高了玉米和大豆的产量。

最近几年,Bayer掌握了一种细菌种子处理技术,叫做Poncho/VOTiVO;Syngenta购买了一家公司,用细菌种子涂层控制大豆上的线虫,这种涂层对寄生虫来说是有毒的。其他针对真菌生物的手段可以提高玉米的抗旱能力。

这些进步并不会取代基因改造或者传统育种,但面对日益增长的人口来说,这将是很好的辅助手段。

Pam Marrone是与Monsanto一起工作的昆虫学者,现在是加州戴维斯Marrone生物创新公司的CEO,他从土壤细菌着手,开发出了新的农药,可以对抗一系列的昆虫和螨虫。她告诉我,生物制剂最终会被认为是农业发展中的第二件大事。她说:“我们真的是在临界点。”

她还说,尽管我们的药物中有40%到50%来自于大自然,比如源于植物和微生物,但农药方面只占11%。

“在药物世界中,有很多生物探勘者。只有很小一部分农药来自于大自然,这就意味着我们还有很多机会。”

文章来源:国家地理中文网 ,作者为Peter Andrey Smith

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