欧洲研究人员近期宣布了一项新技术，有望用一种天然的作物“疫苗”取代化学农药，这一消息听起来好得难以置信。之所以说“好得难以置信”，一部分原因在于农业本身十分复杂，那些在实验室里看似出色的新技术，在田间往往难以奏效。另一部分原因在于，农业的“绿色革命”一直以来对化肥、杀菌剂、除草剂及其他农业综合企业投入品的依赖，至今仍基本牢不可破，无论其对公共健康或环境造成何种影响。
然而，包括植物疫苗、基因编辑（有别于基因工程）以及对植物与微生物共生关系的调控在内的新兴技术，依然带来了诱人的前景：或许有可能在实现更可持续农业的同时提高产量。事实上，这一次几乎别无选择，只能兑现这一承诺，因为到本世纪后期，全球需要养活100亿人口，并且必须在有限的土地面积上并应对难以预测的气候变化。
通过疫苗保护植物免受病原体侵害的设想，在农业综合企业中已被讨论了数十年，但收效甚微。近年来，随着研究证明可以调整一种天然遗传信使，使其靶向特定的作物病原体，该设想才逐渐接近现实。双链RNA（即dsRNA）是植物及许多其他生物体免疫系统的关键激活因子。当前的一项研究方向是利用基因工程改造这一天然防御系统，例如，已培育出一种新的棉花品种，其所含的dsRNA可靶向吸食植物汁液的昆虫，而这类昆虫在中国已成为害虫。
然而，基因工程在技术和监管方面存在局限，削弱了其快速应对新出现病原体的能力，而且它也可能不受公众欢迎，尤其是在粮食作物领域。一项研究发表于上月，《植物生物技术期刊》则提出了另一种方法：从作物上采集病原体，在实验室中对其进行测序，然后快速生产出带有长核苷酸序列、专门靶向该病原体的dsRNA。随后，细菌发酵罐可迅速生产足量的这种靶向dsRNA，用于喷洒在作物上。该研究的资深作者、法国国家科学研究中心的植物分子生物学家曼弗雷德·海因莱因（Manfred Heinlein）估计，从识别新病原体到将靶向喷剂投入商业应用，整个过程可在六个月或更短时间内完成。
与化学农药相比，海因莱因及其合著者写道：“dsRNA制剂是具有生物相容性和可生物降解的化合物，它是自然界的一部分，普遍存在于生物体内外以及食物中。”由于靶向dsRNA与病原体中的一段长核苷酸序列相匹配，即使该病原体序列的部分片段发生突变，它在一定程度上仍能保持有效。因此，它不太可能遭遇化学处理中常见、会使其失效的进化抗性。
海因莱因also提出了若干注意事项：从技术上讲，它并不是疫苗。疫苗能够引发持久免疫，而这种方法只有在病原体存在时才起作用，即便如此，其效果也只能持续dsRNA降解所需的10至20天。该研究还需要从在实验室中针对烟草花叶病毒的成功测试，推进到针对其他常见作物病原体的田间试验。这其中包括了解dsRNA是否会对植物造成意想不到的胁迫，或是否会产生非靶向效应，例如对有益昆虫的影响。不过，如果这些测试进展顺利，海因莱因推测，该技术可能在短短五年内便在某些应用场景中取代化学农药。
CRISPR基因编辑技术《科学》杂志评选的2015年度突破，已开始在田间种植经过改造的作物，而且相关品种的推出速度很可能会加快。与基因工程相比，它是一种更易被接受的替代方案。基因工程因监管限制以及“弗兰肯食品”的负面声誉而备受争议，因为它会将一个物种的基因导入另一个物种。相比之下，基因编辑并不属于转基因。具体而言，科学家借助一种名为CRISPR/Cas9的技术，能够精确且低成本地剪切生物体基因组中极其微小的基因序列，或从同一物种的其他个体中导入序列。这类生物体所含内容，理论上都可能通过自然育种产生，而且迄今为止，它们已进入市场，未受监管延误的影响。
基因编辑的吸引力，很大程度上在于它有可能让植物承担目前由农药及其他高成本投入品所完成的工作。例如，小麦通常需要大量使用杀菌剂来防治白粉病。但中国的研究人员已经培育出一种经基因编辑、可抵抗该病害的品种。基因编辑技术成本低廉，因此它或许也有助于那些无力负担商业农药或以其他方式难以获得商业农药的发展中地区。在这些地区，基因工程目前是应对可能毁坏水稻、玉米、木薯及其他主要粮食作物的病害的另一种可能途径。
然而，更能反映未来趋势的或许是：2015年，美国田间种植的首个商业化基因编辑作物是一种经过改造、具有除草剂抗性的油菜。这提醒我们，农业技术过去的改进有时只会使农民与化学投入品的联系更加紧密。例如，20世纪90年代中期，随着转基因“Roundup Ready”作物的推出，除草剂草甘膦的使用量增长了15倍。
“这是一种奇怪的可持续农业愿景……它将克服农用化学品的抗性视为进步，”评论道，加州大学伯克利分校的环境政策研究员Maywa Montenegro表示。“当世界卫生组织已认定草甘膦为“可能”致癌物，而且它还与帝王蝶数量锐减有关时，我们真的应该让农民向田间喷洒更多草甘膦吗？”
对这一问题，农业综合企业巨头（同时也是草甘膦生产商）孟山都在三月给出了一个答案。据路透社报道，该公司出资1亿美元，成立了一家名为Pairwise的初创企业，专注于利用基因编辑“专门为孟山都改良大宗作物，包括玉米、大豆、小麦、棉花和油菜”。
新的基因组工具首次使人们能够详细分析生活在植物体内及周围的微生物群落，这相当于农业领域的人体微生物组。这使得对这些互利共生微生物的研究成为学术界和商业研究的热门话题，并有望以生物农药和生物肥料替代农用化学投入品。研究人员已宣称，某些微生物能够帮助各类作物从环境中吸收磷、氮及其他养分，帮助作物抵御干旱、土壤盐分、高温、低温及其他形式的胁迫，抵抗害虫和病害，并提高光合作用效率等。但这些颇有前景的成果在田间往往令人失望，因为在田间，数百种微生物可能以科学家尚未完全理解的方式，彼此之间以及与植物相互作用。
植物与微生物共生的经典例子，当然是花生、鹰嘴豆及其他豆科植物的固氮作用。这些植物在根部的根瘤中容纳并供养专门的细菌。这些细菌反过来从空气中吸收氮，并将其转化为植物可利用的养分。这种共生关系似乎很容易加以调控，几十年来，农民一直在播种时额外花费一点资金，通过用这些有益细菌对大豆及其他种子进行额外接种，以促进固氮过程。
“第一次在田间种植大豆时，效果非常好，”明尼苏达大学农业生态学家R. Ford Denison表示。但此后，由于科学家尚未完全理解的原因，土壤中会积累一批效率较低的细菌。它们需要寄主植物提供更多支持，却只回馈较少的氮。讽刺的是，农民最终反而要为那些本应由进化赋予自主固氮能力的植物施用氮肥。
不过，对农业微生物组的研究才刚刚起步，并且必将发展出更为精细的方法，使微生物为可持续农业事业发挥作用。例如，2003年，Toby Kiers在Denison的实验室担任博士后研究员时发现，固氮植物能够识别并淘汰低效细菌。目前，她在阿姆斯特丹自由大学工作，致力于培育能够更精细地控制其微生物伙伴的植物。
“我们想要弄清楚，”Kiers表示，“我们能否培育出一种植物，从根本上控制真菌为获取某种养分而进行觅食的方式。如果植物缺乏某种养分，我们能否调整其与真菌的关系，使其利用真菌获取所需养分？”她所研究的真菌本身已完全依赖宿主植物，因此“我们认为，我们可以调整这种共生关系，确保植物拥有更强的控制力”。最终目标是培育出一种能够基本实现“自我耕作”的植物与微生物共生体，使其“无论被放置于何处，或处于何种条件下，都能够实现最大化的养分吸收”。
迄今为止，农业领域的全部关注都集中在作物的地上部分，以及农民为促进植物更快生长而可能添加的杀虫剂、除草剂、化肥及其他投入品上。“而现在，”Kiers表示，“我认为人们正在意识到，真正的革命将在地下发生。”
