一种无农药技术通过扰乱原生生物的感官而有望实现农作物保护

Wayne Nishijima

想象一下，你是一棵可可树，刚刚在肥沃、温暖的土壤中舒展开你的第一根试探性的根。然而在附近的某个地方，捕食者动了起来...它虽然没有眼睛，没有耳朵，但是通过你的根部发出的弱电场，它可以判断出你在哪里。

它是微观的，但并不孤单。成千上万的生物聚集在一起，在鞭毛的推动下，在积水的土壤中滑行，利用类似真菌的菌丝从内部穿透并吞噬你。但就在袭击你之前，它们犹豫了。它们乎很困惑。它们成群结队地被周围不同的或许更具吸引力的电场所吸引。如果Eleonora Moratto和Giovanni Sena得逞，这就是作物病原体控制的未来。

全球粮食危机涉及许多变量，但最严重的是破坏粮食作物的害虫，能够在粮食收获之前破坏掉高达40%的产量（https://assets.ippc.int/static/media/files/publication/en/2019/10/IPPC_StrategicFramework_2020-2030_2019-10-21_C8Wrzma.pdf）。其中之一——上面例子中的小原生生物，一种正式称为棕榈疫霉的卵菌——对可可、棕榈和橡胶等经济作物的影响可以高达10亿美元。

目前，没有化学防御可以在不毒害土壤中其他（通常是有益的）生物的情况下消灭这些生物。因此，Moratto、Sena和他们在伦敦帝国理工学院Sena小组的同事们决定采用一种非传统的方法：他们利用了P.palmivora的电感觉，这是可以欺骗的。

迄今为止，所有被测量的植物根系都会产生外部离子通量，这转化为非常弱的电场。几十年的证据表明，这个信号是捕食者导航系统的重要目标。然而，它们的捕食者在多大程度上依赖植物的电信号来定位它们，而不是化学或机械信息，这仍然是一个有争议的问题。去年，Moratto和Sena的研究小组发现，P.palmivora孢子被细胞的正极吸引，产生每平方米1安培的电流密度。Sena说：“孢子遵循电场”，这表明类似的机制有助于它们找到土壤中根系发出的自然生物电场。

这不禁让研究人员想要了解：这样的人工电场是否会覆盖原生生物的其他感官输入，并在它们试图使用植物根系弱得多的电输出时扰乱它们的指南针？

为了验证这一想法，研究人员开发了两种使用恒定垂直电场保护植物根系的方法。他们在水培溶液的试管中为P.palmivora种植了两种常见的零食——一种与卷心菜和芥末有关的开花植物，以及一种经常用作牲畜饲料的豆类。

Eleonora Moratto

在第一次实验中，研究人员将植物根系夹在上下两排电极之间，这些电极将它们完全吞没在一个“全局”垂直场中。对于第二组，使用距离植物不远的两个小电极产生磁场，产生约10A/m2的电流密度。然后他们释放了原生生物。

对于对照组，这两种方法都成功地将很大一部分捕食者从植物根部转移开（https://www.nature.com/articles/s41598-024-68730-y）。它们聚集在正极上，因为游动孢子在没有宿主的情况下不能存活超过2到3个小时，所以它们可能饿死了。或者更糟。Neil Gow的研究为游动孢子电感应提供了一些初步证据，他对它们的命运有其他的理论。他说：“由于水的电解，施加的电场会在电极附近和周围产生有毒产物和陡峭的pH梯度。由于诱导的pH梯度，电极的取向可能会导致杀死或固定。”

该技术不仅可以防止感染，而且有证据表明，它还可以减轻现有的感染。研究人员于8月在《科学报告》上发表了他们的研究结果（https://www.nature.com/articles/s41598-024-68730-y）。

然而，将实验室条件转化为土壤中的（字面意义上的）现场试验将更加困难。当地的电场设置很容易复制：“你所要做的就是把小插头插进你想要保护的作物旁边的土壤里，”Sena说。

Moratto和Sena表示，这是一个概念验证，为保护粮食作物提供了一种新的无农药方法的基础。（Sena将该技术比作战斗机通过模仿原始目标的信号来吸引来袭导弹的诱饵。）他们现在正在寻求资金来扩大该项目。第一步是在土壤中测试当地设置；下一步是在马铃薯晚疫病菌（Phytophthora infestans）上测试这种方法，这是一种更卑鄙、更可怕的P. palmivora表亲。

P.infestans攻击更多样化的作物饮食——你可能熟悉它在爱尔兰马铃薯饥荒期间的作用。然而，这项调查可能需要更多的资金。P.infestans的研究只能在更严格的实验室安全协议下进行。

帝国理工学院的工作与围绕静电生态学的更广泛、更激烈的辩论有关；也就是说，包括蜱在内的生物在多大程度上利用迄今为止知之甚少的电气机制来定位自己，并以其他方式提高它们的生存能力（https://www.quantamagazine.org/the-hidden-world-of-electrostatic-ecology-20240930/）。柏林自然历史博物馆的行为生态学家Sam England说：“大多数人仍然没有意识到自然产生的电力可以发挥生态作用。所以我怀疑，一旦这些电现象变得更加为人所知和理解，它们将激发更多像这样的实际应用。”