植物是地球上最勇敢的探险家之一。大约4.6亿年前，第一批植物开始离开湖泊和河流，出现在陆地上。当时，地球表面大部分是裸露的岩石。

这些先驱者在从水生生活方式转变的过程中必须克服非凡的挑战。我们现在种植的农作物正在努力适应新的极端气候。但有一种方法可以帮助保护它们：重新唤醒它们古老的韧性。

所有植物的生命都需要17种营养素。氮、磷酸盐和钾是最重要的。其中任何一种的供应有限都会阻碍植物的生长。

因此，几千年来，人类一直在驯化农作物，以最大限度地提高产量并确保植物获得足够的营养供应。我们的祖先收集粪便(人类粪便)并将其撒在田野上以施肥，并为争夺覆盖着营养丰富的鸟粪的土地而战。

最近，人类创造了合成氮肥的全球贸易。人类文明的兴起与农业中植物营养素的利用交织在一起。

这些人类主导的做法可能提高了粮食产量，但也让农作物变得懒惰。

古老的联系

植物曾经必须采用巧妙的进化解决方案才能在陆地上生存。它们进化的一种方式是与土壤真菌(丛枝菌根)建立共生(互利)关系，其作用就像原始根一样，帮助这些早期植物从土地中获取养分。作为交换，真菌获得了植物通过光合作用收获的能量。

我们的农业实践抑制了这些共生关系。

相反，我们依靠化肥来种植粮食，这既造成了温室气体排放，又造成了农业污染，而且对于种植了全球三分之一粮食供应的小农来说，这些肥料在很大程度上是负担不起的。

然而，我相信这些共生微生物关系远非古老的历史，仍然与我们今天应该或可能如何生产食物有关。

植物最终在大约350-4亿年前进化出了自己的根，但它们继续利用这种真菌关系来帮助吸收土地和土壤中的养分。

然后，大约一亿年前，一些植物(我们现在称为豆科植物，包括豆类、豌豆和扁豆)与土壤中的细菌建立了关系。这种细菌被称为根瘤菌，它感染豆科植物的根部，并利用酶将空气中的氮分解成植物可以吸收的物质。

野生植物仍然利用这些原始关联来获取这些重要的营养物质。植物开启共生关系所需的性状在世界粮食生产系统中大多处于休眠状态或未得到充分利用。

有前途的研究

科学家们正在努力了解植物如何与这些土壤微生物相互作用，以便我们可以重新激活它们。粮食生产必须增加才能养活世界不断增长的人口。然而，目前的形式是不可持续的，全球约一半人口的粮食生产依赖化肥。

据估计，2018年，合成氮供应链就占了农业温室气体排放量的10%，对于在世界上一些最贫瘠土地上耕作的非洲小农来说，这往往是遥不可及的。

最近对植物基因的研究告诉我们一些具有深远意义的事情。我们的谷类作物具有与豆类相同的古老遗传途径，这使得它们能够与固氮细菌结合。

当豆类在一亿年前进化出与固氮细菌结合的能力时，它们利用了生物学中已经存在的许多过程来与丛枝菌根真菌相互作用。谷物错过了这个进化技巧：从进化的角度来看，它们已经与豆类分化了。

好消息是，研究表明，有可能将豆类独特的固氮特性转移到其他粮食作物上。

在过去的几年里，研究人员极大地加深了我们对植物如何与有益微生物相互作用的理解。至少在实验室中，我们可以鼓励谷类作物在复制高度施肥田地的条件下更主动地与有益真菌相互作用，并开始重现我们在豆类中看到的容纳固氮细菌所必需的过程。研究人员正在对植物进行再训练，以寻找有益的微生物。

这些发现对于开发无需我们帮助即可固氮并通过与真菌相互作用获取其他必需营养素的谷物至关重要。我们现在知道，所有植物都具有与有益细菌相互作用的基本机制，到目前为止，只有豆科植物使用了这种机制。

我们可以让作物更主动、更高效地与有益真菌和细菌接触。我们不需要从头开始设计谷物来变得更加独立。

然而，这并不容易。将固氮能力转移到谷物中涉及几个复杂的过程，其中包括开发识别有益细菌的功能。

未来，或许可以不用大量化肥来种植农作物。这不仅可以改变低收入国家缺乏化肥的小农的命运，还可以减少农业污染和温室气体排放。这也将减少乌克兰冲突造成的化肥短缺和价格飙升等冲击的影响。

尽管植物与微生物的地下关系在很大程度上是不为人所知的，但它们可能掌握着未来农业重大突破的关键。

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