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威胁食物安全的,不止有《星际穿越》里的“枯萎病”

是什么逼着人类铤而走险、穿越虫洞?在《星际穿越》中,人们当然得面对来势汹汹的沙尘暴,但是使得各种作物接连灭绝的“枯萎病”(blight),可能才是真正的罪魁祸首。

影片中的枯萎病,在真实世界中存在吗?

除了病毒之外,生物都是以双名法命名的,植物病原也不例外。然而,由这些病原所导致的植物病害本身,却没有标准的统一的命名方式。常见的植物病,名称通常为“寄主+症状+病” 的形式,例如柑橘黑斑病(citrus black spot);或者“寄主+病原+病”的形式,例如葡萄霜霉病(grape downy mildew)。而电影中的“枯萎病”,就是以症状作为植物病名称的典型一例,有时也译为疫病,如马铃薯晚疫病(potato late blight)。

现实世界中的枯萎病并不少见,当植物的叶片、茎、花乃至植株整体出现迅速褐变、干枯、死亡的症状的时候,我们往往就给导致这些症状的病害冠以“枯萎病”的名字。诸如由真菌小双胞腔菌(Didymella bryoniae)引起的黄瓜蔓枯病,由细菌地毯草黄单胞菌(Xanthomonas axonopodis)引起的洋葱叶枯病,由真菌山茶花腐病菌(Ciborinia camelliae)引起的山茶花腐病等等,虽然名字里没有直接出现“枯萎病”,但其实它们都是“blight”。

黄瓜蔓枯病(左)、洋葱叶枯病(中)与山茶花腐病(右)。图片:Gerald Holmes, California Polytechnic State University at San Luis Obispo, Bugwood.org / Howard F. Schwartz, Colorado State University, Bugwood.org / Clemson University - USDA Cooperative Extension Slide Series, Bugwood.org

正是因为枯萎病描述的是症状,所以引起枯萎病的并非限定于某一种,或者一类病原。许多细菌,真菌,或者卵菌都能导致枯萎病,甚至低温、干旱等非生物因素也能造成枯萎的症状。各种病原体导致的枯萎病症状,可能是由于它们在植物体内大量繁殖所致:这些病原堵塞维管束,阻碍水和营养物质的输送,最终导致细胞坏死。

引起多种植物火疫病的欧文氏菌(Erwinia amylovora)菌落。图片:Bacheline Joseph, University of Florida, Bugwood.org

引起玉米小斑病(Southern corn leaf blight)的异旋腔孢菌(Cochliobolus heterostrophus)无性态孢子及菌丝片段。图片:Cesar Calderon, USDA APHIS PPQ, Bugwood.org

现实中的植物病害,不比电影中的更温柔

作为生物圈的重要组成部分,植物所要经历的磨难可不止枯萎病这一种,各种细菌,真菌,病毒,线虫,原生生物可以导致萎蔫,溃疡,根腐,软腐,炭疽,瘿瘤等等恶劣的症状,直接导致作物降低、失去经济价值。多数的植物病害导致的产量损失发生在田间,但有些病害也会发生在收获后,如果蔬,谷物在贮藏期间发生的腐烂等等。

据一项2002年的统计结果,因病害,虫害,杂草等因素造成的损失占全世界粮食总产量的30% - 40%,其中由病害造成的损失约为14%,价值2200亿美元的粮食被白白投喂给了植物病原。以佛罗里达州的柑橘产业为例:2010至2011年,因为柑橘黄龙病导致 柑橘减产4400万箱,占预计产量的24%,同时因为柑橘供应量减少,橙汁平均价格比预计高出15%。

美国葡萄柚产量10年间下降了一半(2004至2005年产量急剧下降是由飓风卡特里娜导致)。图片:USDA, National Agricultural Statistics Service

除了直接减少产量,降低产品价值之外,植物病害还能导致其他经济损失,例如2006至2011年间,因为整个柑橘产业链的衰退,佛罗里达有8000多人失去了工作,133,947英亩果园被废弃。植物病害还能直接或间接地危害人类健康。例如各种真菌毒素。历史上著名的“圣安东尼之火”,便是因为食用了被麦角菌(Claviceps purpurea)感染的小麦而引起,其中的麦角酰二乙胺可以导致幻觉,关节损坏,甚至死亡。在国内也偶有食用变色甘蔗中毒的新闻,这是因为节孢霉属(Arthrinium)真菌感染甘蔗后产生真菌毒素3-硝基丙酸, 影响中枢神经系统。 除此之外,因防治植物病而施用的各类杀虫剂(杀灭传播病原的昆虫载体)、杀菌剂,不仅危害种植者的健康,也提高了农作物的种植成本。

哪些美味正面临着植物病害的影响?

除了近年来引起广泛关注的柑橘黄龙病和香蕉黄叶病,许多你在意的美味,可能也在植物病原的晚餐菜单里。

蓝莓

蓝莓是一种经济价值较高的作物,颜色艳丽,口味酸甜,但有一种真菌却能把这种惹人喜爱的水果变成令人丧胆的僵尸。

蓝莓僵果病(blueberry mummy berry)病原菌Monilinia vaccinii-corymbosa侵染蓝莓后,首先表现的症状为叶片萎蔫褐变,随后病菌开始侵染花,未成熟的浆果起初无症状,但随着病害的发展则开始变色,绿色浆果变成不健康的粉紫色,最后干瘪,从植株上脱离落在地面上。在夏末,未清理的落果中的病原菌会形假菌核(pseudosclerotia),俗称“mummies”,度过冬天,在春天长出蘑菇状的子实体来散布孢子。

健康蓝莓浆果及僵果(左)以及生长在蓝莓上的病原菌子实体(右)。图片:University of Georgia Plant Pathology Archive, University of Georgia, Bugwood.org​ / Dr. Jay Pscheidt

在蓝莓生产中,僵果病是危害最为严重的一种病害。在1974年,新罕布什尔州的农场主们因为僵果病失去了70%-85%的蓝莓。 之后人们开始使用杀菌剂来防治僵果病,但在2001年的俄勒冈和北卡罗莱纳的有机农场,因为不可使用防治僵果病的杀菌剂,蓝莓减产80%。

可可

据玛氏公司的估计,目前全球可可产量与需求量之间的差值已达100万吨,且这一数字还将继续扩大。导致可可产量下降的原因,除了干旱和可可产地农作物结构的调整之外,一个重要的原因是植物病害:由疫霉Phytophtora spp.引起的可可黑果病(black pod disease),由Moniliophthora perniciosa引起的可可丛枝病(witches broom)和由病毒(Cocoa swollen-shoot virus)引起的可可肿枝病(swollen shoot disease)等,都威胁着可可的生产。根据国际可可组织的资料,仅棕榈疫霉(Phytophthora palmivora)这一种病原,就可使全球可可产量遭受20%-30%的损失,并造成10%的可可树死亡。在巴西的Bahia地区,可可丛枝病的传入使得可可产量在10年间下降了70%。

可可黑果病症状。图片:USDA ARS Photo Unit, USDA Agricultural Research Service, Bugwood.org​

面对这些威胁,哥斯达黎加的研究者培育了新品种的可可树:CCN51,这一新品种对可可丛枝病具有抗性,并且可可果荚的产量七倍于传统的厄瓜多尔品种。遗憾的是这一新品种的可可口味却不尽如人意,如果巧克力制造商以这种可可作为原料,也许他们将很难再使用“香醇丝滑”之类的词语来形容自己的产品。

咖啡

咖啡是许多人加班熬夜必不可少的燃料,但随着咖啡锈病的发生,为了获得片刻的清醒,你可能需要付出更高的代价。

咖啡锈病(coffee rust)由咖啡锈菌(Hemileia vastatrix)引起,这种细菌在全世界咖啡产区都有分布,除能侵染阿拉比卡咖啡(Coffea arabica)和罗布斯塔咖啡(Coffea canephora)这两种栽培最为广泛的咖啡之外,还能侵染多达25种咖啡属植物。

被咖啡锈菌寄生的植物叶面出现黄色斑点,由植株底部向上逐渐扩散,最终导致出现症状的叶片落叶,降低光合作用效率,使枝条死亡,从而降低咖啡浆果的数量。

被咖啡锈菌感染的叶片症状。图片:Howard F. Schwartz, Colorado State University, Bugwood.org​

2012年,咖啡锈病在中美洲造成了25%的咖啡产量损失。目前在全世界,咖啡锈病的发生率已达53%, 这是自这一病害于1976在美洲中部年被发现以来最糟糕的局面。许多国家都加强了检疫措施,同时科学家们正努力寻找合适的咖啡属物种进行杂交,希望获得具有抗性的杂交种。

玉米

即使在电影中支撑到最后的玉米,在现实中也并没有那么坚强。1970年,玉米小斑病的流行使美国玉米的产量下降了15%,造成了10亿美元的直接经济损失;还有一种由病原菌Exserohilum turcicum侵染导致的玉米大斑病(Northern corn leaf blight),一旦感染便可使产量减少30%。

就玉米这么一种常见的农作物,能有多少种对应的植物病害呢?最新版的《玉米病害纲要》中,记载了七十多种由各类病原引起的玉米病害。比起其他植物,玉米并没有特权。

面对植物病原的威胁,人类并非束手无策

对付植物病害,我们可以从源头抓起——采取严格的检疫措施,防止病原输入本国。例如美国在1912年就立法规定禁止、限制外国植物、植物制品、土壤等输入本国。世界各国也都有各自的检疫名录,如我国的《中华人民共和国进境植物检疫危险性病、虫、杂草名录》,欧洲的EPPO有害生物名录等。

如果病害已然入侵,我们依然可以采取农事操作手段减少田间的病原接种体。手段很多,包括但不限于下面这些:选用可靠的无病害种子,幼苗;选择不适宜病原或病原的昆虫载体生存的栽培地点;选择合适的栽培时间和栽培方式;种植防风带,来避免作物和病原接触;一旦在田间发现患病植物,应立即移除销毁,同时应注意保持农事工具的洁净;加强操作人员的管理,例如使用烟草产品的种植者在接触烟草花叶病毒的宿主作物前应进行消毒,等等。

设置于田间的防风带。图片:shutterstock.com

化学制剂或者生物防治制剂在面对植物病原的时候,也能起到关键的作用。有的制剂可以直接杀灭病原,有的制剂可以杀灭传播病原的昆虫载体,有的制剂可以在植物表面形成保护膜避免病原菌的侵入,或者以提高植物自身的抗性,甚至可以用接种拮抗生防菌的方式来间接防治病害。

但理想和现实之间仍有差距。从近年来新闻中常出现的对某种作物灭绝的担忧,也可以看出,传统的植物病害防治技术并不一定每次都有效。

在现代社会里,跨国、跨大陆的交流旅行越来越频繁、便捷,各类病原也越来越容易随之传播,海关检疫这一道关卡显然不能完全阻断植物病原的引入。采用农事操作措施来进行防治并不能完全杜绝病原接触作物,且这些措施一般对操作人员有较高的要求。过度使用化学制剂则可能导致病原产生抗药性。各种偶然因素也能使已经得到控制植物病害重新流行,例如2004年的飓风卡特里娜使此前已不再流行的柑橘溃疡病(Citrus canker)又重新散布到整个佛罗里达州。

为了解决一些难以控制的植物病害,植物病理学家和育种专家一向乐意采用培育新抗病品种的方法,例如选用带有抗性基因的物种与目标进行杂交,等等。随着生物技术的发展,基因改良技术使得抗病品种的培育过程更加高效,例如:将抗水稻白叶枯病菌的水稻Xa21基因导入杂交水稻,使杂交水稻获得抗白叶枯病的性状;将木瓜环斑病毒基因导入番木瓜,使其获得抗环斑病的性状等等。

早在1975年,用于马铃薯晚疫病的计算机预测系统BLITECAST就已经出现。除了农业生物技术的发展,建立在计算机技术,种植者、专家和政府的沟通合作的基础上的各种预警系统与程序也可能能让我们有可能在与植物病害的争斗中占得上风。例如为了防治柑橘黄龙病,佛罗里达柑橘研究教育中心(CREC)建立了Citrus Health Management Areas (CHMAs)预警项目,用于黄龙病病原载体亚洲柑橘木虱活动信息的收集及预警。种植者可接收目标区域内的木虱密度警报。从而采取相应措施防止木虱危害柑橘植株。

对于科幻电影中所描绘的末世情景,我们虽不需杞人忧天,但仍应提高警惕。这是一颗饥饿的星球,毫无疑问——全球人口保持高速增长的态势,危害农业的植物病原也绝不会消失。如何在有限的土地上产出足够的农产品,减少因病害导致的损失,满足人类对食物以及工业原料的需求,这是一个永远值得研究的问题。(编辑:老猫)

参考资料

  1. 美国植物病理学会
  2. Forestry Images
  3. Economic Impacts of Citrus Greening (HLB) in Florida, 2006/07–2010/111 
  4. Florida Citrus Statistics
  5. 国际可可组织
  6. Chocolate: Can Science Save the World's Most Endangered Treat?
  7. 国际咖啡组织
The End

发布于2014-11-25, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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vincentheo

微生物学硕士生,摇滚爱好者

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