巴拿马病是一种损害香蕉植物的传染病,在亚洲、澳大利亚中东非洲肆虐横行,其影响极具毁灭性。仅在菲律宾,损失就达4亿美元。这一疾病不仅威胁着这个价值440亿美元的产业中每个人的生计,还威胁着发展中国家的4亿人,这些人所获取的热量中很大一部分来自于香蕉。

然而,希望还是有的。为了拯救香蕉及其生产行业,科学家正在竞相研发一种可以抵抗巴拿马病的新型植物。但也许这场危机正在警告我们,目前种植作物的方式是不可持续的,我们需要更彻底的变革才能找到永久的解决方案。

为了理解当前危机产生的原因,我们需要回顾一下香蕉的历史,尤其是上世纪中叶。当时,几十年来一直在不断扩大的危机威胁着整个经济的发展,导致成千上万人陷入贫困。而香蕉也正在逐渐消亡。

在拉丁美洲的全球主要香蕉生产国,一种被称为枯萎病或巴拿马病的疾病正在消灭整个种植园,对香蕉种植业造成了巨大威胁。但香蕉种植业对拉丁美洲非常重要,这里的一些州甚至被称为香蕉共和国,因为它们实际上是受香蕉生产商管辖的。

图片来源:联合国粮食及农业组织

同品种的香蕉在基因上是相同的,所以如果该品种的一棵植物被感染,那么种植园的其它植物也都很容易受到感染。这就意味着巴拿马病很容易侵袭大片脆弱的寄主植物。在许多地区,所有的香蕉树都因这种疾病死亡。

这种疾病没有治疗方法,香蕉树一旦感染病毒,就无法继续生长。曾有一段时间,香蕉商家在未受破坏的热带雨林中开辟了新的种植园。但这种行为不但破坏了环境,而且并不会阻止病情的发生,该来的迟早会来。不久,这些地区也受到污染,种植业变得不可持续了。各地区的预测损失数目有所不同,但巴拿马流行病可能造成高达23亿美元的损失,相当于今天的182亿美元。

格罗斯·米歇尔(Gros Michel)香蕉。
图片来源:维基百科, CC BY-SA

幸运的是,香蕉商家意识到,与当时生长于拉丁美洲的格罗斯·米歇尔香蕉不同,另一种被称为“卡文迪什”(Cavendish)的香蕉几乎可以完全抵抗巴拿马病。从20世纪50年代开始,格罗斯·米歇尔(也称“大块头麦克”)香蕉种植园逐渐被清理并被卡文迪什香蕉树所代替

卡文迪什香蕉已经拯救了这个产业,五十年来它在世界各地的种植范围越来越大。今天,99%的出口香蕉近一半的全球香蕉总产量都属于卡文迪什品种。然而这种优势现在已经成为香蕉产业最大的弱点。巴拿马疾病卷土重来,而这次卡文迪什却再也抵抗不了了。

巴拿马疾病。
图片来源:维基百科, CC BY-SA

新的病毒席卷全球,它迟早会重返加勒比地区和中美洲的大型种植园,只是时间问题。然而,解决这一最新危机的难点在于巴拿马病的最后一次爆发——这次爆发的源头令人匪夷所思——不是源自香蕉的起源地东南亚的丛林,而是来自德比郡的查茨沃斯庄园,这曾是第六代德文郡公爵、政治家、园艺家威廉·卡文迪什的故居。

公爵和园丁

1826年,卡文迪什雇佣了一位年轻热情的农民的儿子作为他的首席园丁。这就是约瑟夫·帕克斯顿(Joseph Paxton),继在查茨沃斯建造实验温室之后,他继续利用其专业知识设计了伦敦著名的水晶宫。

约瑟夫·帕克斯顿。
图片来源:国家肖像画廊/维基百科

在帕克斯顿为公爵收集的异种标本中,有一个短香蕉植物标本,这是他花了10英镑从酿酒商罗伯特·巴克莱的多金收藏品那买来的,而罗伯特·巴克莱是先前从毛里求斯的庞普勒斯植物园里获得的。帕克斯顿种下了这株植物,养了三年,最终为卡文迪什勋爵和他的客人制成果盘供他们享用。

帕克斯顿成功种植了这种植物,并以其赞助人的名字将它命名为Musa Cavendishii。同时,凭借该植物,帕克斯顿在1835年皇家园艺学会展览中获得银奖。在这之后,先前卖掉巴克莱收藏标本的园丁声称该植物标本的定价为100英镑而非10英镑。帕克斯顿并没有补差价。

然后,卡文迪什开始在全球范围内种植。香蕉有很悠久的迁徙历史。有考古证据显示,6800多年前,它们首先在东南亚和新几内亚种植,并在6000年前迁移到斯里兰卡,5250年前又在乌干达种植。15世纪末,欧洲人开始穿越大西洋之后,香蕉也跟着走向世界,遍布加勒比地区和美洲的热带地区。

但是18世纪的启蒙时代开启了香蕉种植的一个重要的新阶段,即种植业余、专业植物学家和园丁在当时的科学航行中收集的香蕉品种。最初许多人到达了新的地区,因为这些香蕉品种是在植物园或私人花园的种植爱好者(就像帕克斯顿那样)之间流通分享的。

他和他的继任者们延续了这一趋势,将查茨沃斯的许多标本交给收藏家和慈善家,有助于将卡文迪什香蕉种植在世界各地。这些标本流传到加那利群岛,可能是一名移民到特内里费岛的葡萄酒商人在苏格兰豪宅的花园里栽培成熟后用来出口。标本也流传到了牙买加,在1884年种植于圣托马斯的巴斯花园。

太平洋群岛的传教士约翰·威廉姆斯获得了卡文迪什植物,为他进行传教的地区提供食物。这些标本于1838年在萨摩亚出现,并从那流传到汤加、斐济、塔希提岛、夏威夷和澳大利亚,以及香蕉的发源地——新几内亚。但威廉姆斯自己并没能看到这一景象,因为他在1839年被新赫布里底群岛的岛民吃掉了,人们大概对他的布道传教并不感兴趣。

约翰·威廉姆斯遭遇屠杀。
图片来源:新西兰国家图书馆

同时,格罗斯·米歇尔品种于19世纪初由法国制图员和私掠船长尼古拉斯·鲍丁从缅甸带到马提尼克岛的圣皮埃尔植物园。1835年植物学家普亚(Jean François Pouyat)将其带到了牙买加。20世纪初用于创立香蕉出口产业的植物可能都来自于这些标本。

幸运的异常

这些香蕉植物分布在世界上任何一个温度适宜生长的地方,但它们不能生育,这让人惊讶。野生香蕉有很多个头大的硬种子,吃起来很困难。现代香蕉甚至不能育种,不过这阻止不了其传播,这种遗传怪象使香蕉成为一种理想的作物,也导致它们非常脆弱。

现代香蕉和芭蕉植物被称为“三倍体”,意味着它们体内携带其基因的染色体拷贝数为3。因此,它们不能进行有性繁殖,因为它们的染色体不能平均地分裂产生性细胞——就像在染色体拷贝数为2的“二倍体”生物体中发生的那样(如人类、大多数动物和许多植物)。

当二倍体生物体内形成性细胞的过程发生异常时,就可能出现这样的三倍体。偶尔会产生具有两个染色体拷贝的细胞。当这些植物与正常的性细胞结合时,新植物有来自父母一方的两条染色体和一条来自对方的染色体,不能产生自己的性细胞。就香蕉而言,植物仍然可以结果但不能育种。

从表面上看,这似乎是个问题,但植物并不完全依赖于有性生殖。每个园丁都知道,新植物可以从扦插开始,新的香蕉树往往是通过从现有植物中重新种植根茎或从其中生长出的被称为吸盘的枝条而长成的。

培育香蕉和芭蕉的史前人民对染色体数一无所知,但他们种植的品种几乎都是三倍体。因此他们必须学会了解这些幸运的意外,培育它们,喜欢它们。

由此产生了很重要的结果,好的坏的都有。扦插生长的植物是彼此的克隆植物,拥有同样的突变,基因上完全一致。这消除了多样性。显然,我们只种植有活力的一模一样的香蕉树,生产我们喜欢的水果,所有的新树与我们先前扦插的树木几乎相同。

这非常有利于工业规模化生产,因为这种水果的品种是一模一样的,如果你以同样的方式培育、收获它们,它们将会同时成熟以供食用。不幸的是,这也非常有利于传染病的蔓延,因为如果其中一棵树感染疾病,那么附近的树也容易受感染,然后蔓延到整个种植园——这正是现在正在发生的事。

巴拿马病卷土重来

巴拿马病最早被发现其实是在1874年的澳大利亚。起初,香蕉树叶停止生长,然后开始卷曲枯萎,最终树木完全变干而死亡。1890年,这一疾病在同名国家巴拿马被发现,并在接下来的30年中蔓延到大多数加勒比地区和中美洲的国家。

确定这一现象的原因需要一定的时间。到了1910年,发现这是由枯萎病菌(简称“Foc”)造成的。植物死亡是因为从根部运输水和矿物质到叶子的通道堵塞了。最初人们认为这些管道被真菌堵塞了,但现在我们知道了,是植物自己堵塞了自己的管道,因此试图阻止真菌蔓延似乎是徒劳。

感染巴拿马病的香蕉树树干。
图片来源:维基百科,CC BY-SA

我们现在也知道Foc是通过受污染的土壤传播的。少量的受污染的土壤就能将疾病传播到新的种植园,哪怕过了几十年也仍然具有传染性,而且不受任何化学药剂的影响。这就是20世纪50年代香蕉业所面临的形势,当时世界各地的格罗斯·米歇尔种植园不堪重负。

与格罗斯·米歇尔香蕉相比,卡文迪什香蕉个头小、没有味道,需要更多的保护措施。但卡文迪什对Foc免疫,所以香蕉业别无选择,只能保护该品种,否则整个产业都将面临崩溃。

曾有一段时间,看起来香蕉业已经得到了拯救。接着在20世纪60年代后期,台湾爆发了一场巴拿马疾病,而这次却是在卡文迪什种植园。到了21世纪初,台湾原有的5万公顷香蕉种植园仅幸存6000公顷

尖孢镰刀菌。
图片来源:Keith Weller, USDA-ARS/维基百科

这次疾病的爆发令人费解,但最终归结为这样一个事实:就像香蕉有不同品种一样,Foc也有不同的类型。格罗斯·米歇尔香蕉树被“病毒1”感染。在台湾出现的真菌被称为“热带病毒4”或“TR4”。它不仅可以感染格罗斯·米歇尔香蕉,还可以感染卡文迪什香蕉和多达80%的种植品种。(假设芭蕉也很容易受到影响,但到目前为止还没有确凿的证据。)所以现在香蕉业再次面临灾难危机,这次可以做些什么来拯救呢?

基因解决方案?

最简单的方案就是隔离。巴拿马病之所以在20世纪造成巨大破坏,是因为采取有效措施控制其蔓延的时候已经太晚了。如果能早点认识到问题的严重性,那么台湾第一次TR4爆发也有可能被扼杀在萌芽状态。但卡文迪什对“病毒1”固有的免疫特质使人们自满,直到疫情失控才追悔莫及。

我们可以通过防止受感染的植物材料和土壤在新的地区出现来阻止疫情蔓延吗?不幸的是,想要实现这一举措并不那么容易。Foc可以潜伏在轮子或鞋子上的泥里,因此必须要严格监控进入种植园的人、机器以及其它的一切。想象这样一个农场:所有闲杂人等和车辆都不允许进入,同时为那些必须要进入的人提供更衣间和去污区。

这样的农场在澳大利亚经营了一段时间,设有非常严格的规定,防止外国土壤进入本国,但在2015年,规定就被破坏了。总会出差错,也总有人忽视规定。在很多地区,未受保护的香蕉植物在野外或村庄里生长,如果这些植物遭到感染,它们就能将疾病从一个种植园传播到另一个种植园。隔离可能会减缓TR4传播进程,但从长远来看,我们确实需要一种能抵抗真菌的香蕉。

香蕉的三倍体结构使情况变得更加复杂。历史上,新的作物品种是通过将具有所需特征的植物杂交而培育出来的。例如,将一种产量高的植物与另一种抗病的植物进行杂交培育。但是杂交香蕉不会产生任何种子,所以这不是一种好的解决方案。

然而,转基因为植物(和其它生物)提供了改变基因特质的途径。原则上,这是解决问题的好方案,并且已经有了一些积极的研究结果。澳大利亚的研究人员发现,在卡文迪什香蕉的遗传密码中添加两种不同的基因就可以使其免受TR4的侵害。第一种基因来自对TR4有免疫性的野生香蕉,也是让植物能够识别入侵疾病以自我保护的大型基因家族之一。

第二种基因的来源有点匪夷所思:线虫生物生长过程中有时需要一些细胞牺牲自己。一个例子是冬天树叶脱落,而我们人体自身的发育也是如此。出生前在子宫里,你的手指原本是像鳍状附肢一样,需要一些细胞将它们分离,从而逐渐成形,在此过程中使手指分离的细胞一个接一个死去。线虫基因是阻断这一过程的基因。

这种保护植物的方式似乎很奇怪,但它可能会有效地对抗香蕉所感染的TR4,因为正如我们之前所看到的那样,入侵的真菌可能会阻断这一过程,使用化学信号使香蕉细胞自我破坏。而线虫基因可以通过阻断这些信号来发挥作用。

使用这些方法,我们可以继续吃到香蕉,甚至看看这类解决方案是否会使格罗斯·米歇尔香蕉再度流行起来。但这些具有免疫性的卡文迪什香蕉现在是转基因作物,很多国家的人们习惯于食用转基因食品,但欧洲却不是如此,欧洲有着世界上最严格的转基因食品法规。如果是转基因香蕉,也许可以说服欧洲监管机构另行对待。但我们可能需要寻找另一种解决方案。

染色体数学

一种解决方案是从头开始培育新的三倍体无籽植物。最初培育香蕉时,挑选出生产无籽果实的个别树木必然很费时,但是现在我们了解了这个过程,就可以更容易地自行培育出三倍体植物。

通常使用染色体拷贝数为4的四倍体植物来实现这一方案。它们往往生长得更快,长成更坚固的植物,比二倍体生物更能承受压力(我们的许多作物都增加了染色体数目)。它们在植物育种中尤为有用,因为它们产生的性细胞都带有两组染色体拷贝,这创造了原本不可能出现的不育杂交种。

当你将四倍体生物(每个性细胞的染色体拷贝数为2)与正常的二倍体生物(每个性细胞的染色体拷贝数为1)进行杂交时,你就能得到一个三倍体生物。三倍体植物不能产生自己的性细胞,因此,如果是香蕉,那么它的果实就是无籽的。

特内里费岛的香蕉种植园。
图片来源:oatsy40/Flickr, CC BY-SA

同样的结果可以通过物种间的不育杂交来实现,所创造的植物就相当于骡子,并使用化学物质使其染色体数目加倍变成四倍体生物。由小麦和黑麦杂交而成的一种叫做小黑麦的适应性强的植物,就是以这种方式培育的。

一些育种计划通过杂交三倍体和二倍体品种培育了四倍体植物,但这依赖于不常见的遗传现象,因此需要付出大量时间和精力。更快的方法是使用一种名为秋水仙素的化学物质迫使染色体数目加倍。

通过这些方法,我们现在有很多四倍体合成香蕉杂交种,事实证明其中一些对TR4具有免疫性。这些植物卖得不好因为它们可育,生产出有种子的香蕉。但是它们能相互杂交,结合彼此有用的特性,然后与二倍体树木杂交,创造出新一代三倍体无籽香蕉。这种方法也创造出一些对TR4具有免疫性的新型杂交种,但是到目前为止这些杂交种的口感和特质还没有达到我们想要的那样,也还不能取代卡文迪什香蕉。

有一个更激进的方法是尝试改进抗TR4的植物。卡文迪什香蕉是克隆体,但是随着DNA读取方式会发生突变,它们的遗传密码会随着时间的推移而略有不同。

台湾的一个研究小组将卡文迪什香蕉幼苗置于被TR4污染的土壤中,寻找那些存活得更好的植株。他们挑出这些植株,用于下次试验。每10000棵幼苗中只有两三棵有存活潜力,但多次重复试验之后,研究人员已经获得了一些能够承受TR4的卡文迪什香蕉。

然而,这些可能的解决方案都没能解决这样一个问题:种植大量克隆香蕉树在本质上是不稳定的。他们可以实现规模经济,降低价格,保证果实的口感一致。但是,即使有了应对TR4的解决方案,在下一次疾病发生前能维持多久呢?

也许我们应该使用更多样的香蕉,将它们与其它作物一起种植或者与其它作物交替种植。那样的话,传染病就不会像现在这样大规模地快速传播了。

还有证据表明,其它一些作物可以保护香蕉免受TR4的伤害。一项研究表明,将香蕉种植在中国的韭菜地里,三年后,再将它们种植在受TR4污染的土壤,它们基本上没有受到感染。这似乎是因为中国韭菜可以释放出杀死真菌的化学物质。木薯也可以拯救受TR4污染的田地,也许是因为木薯自身以及根部的微生物都能够产生抗真菌物质。

卡文迪什香蕉的种植源于殖民国家的好奇心,现如今成为了全球的重要食物。但它的成功却为食品体系带来了致命的缺陷(尽管农业种植单一这个问题并不是香蕉独有的)。为了适应集约度较低的多样化农业,也许我们最终需要做好准备,接受标准化程度较低且价格较贵的食品。当剥香蕉皮的时候你可能永远不确定会发生什么,但最终结果可能是建立了一个更有活力且可持续的食品体系,至少不会每隔几年就发生一次重大危机。

作者:Stuart Thompson, 威斯敏斯特大学高级讲师

本文由世界经济论坛与The Conversation联合发表,转载请注明来源并附上原文链接

翻译:张丽莉

编辑:万鸿嘉