尋找「一箭雙雕」的M基因

興起於一萬兩千年前的農業，不僅對人類的生活方式發生了重大的影響，也對地球的環境有了漸進式的改變。人類從無意識地選擇可食可用部分（果實、根莖、葉片）較大較美味的品系時，卻不知道這些新品系的植物，也同時在影響著土壤中的微生物。數百萬、千萬乃至數億年與植物緊密合作的微生物伙伴們，因為植物本身的代謝改變，決定不再跟隨它們的宿主（還記得我們介紹過小麥、水稻、大麥的研究嗎？）獲取養分的能力降低，使得相同的植物無法一直在同一塊土地上成長茁壯。

早期的人類，注意到了這個現象，於是寫下了如「穀田必須歲易」這類的紀錄。也有些人會讓土地休息（休耕）。後來，人們開始懂得施肥：一開始都是用有機肥，在《氾勝之書》裡面，就提到如何製作有機肥，也提到施肥的時機。

到了二十世紀初，隨著「哈伯法」（Haber-Bosch process）的發明，化學肥料就此誕生；從此人們可以不用再擔心沒有肥料的問題了！而科學的進步，也讓人們開始能合成一些新的化學物質，幫助人類消滅影響作物產量的害蟲與微生物。

欣喜的人類，卻沒想到大量使用化肥與農藥的耕種方式，其實並不永續。隨之而來的土壤鹽化與生態破壞後造成的農作物減產，這些都在提醒我們，我們進入了一個惡性循環。更不用提過度施肥造成的「死亡海域」的問題了。

而藉由植入微生物基因製造出來的基改作物，雖然一時之間似乎可以有效地消滅害蟲，但害蟲也很快地發展出抗性。雖然生物科技公司很快的又找到新的基因、製作新的抗蟲植物，但是...這真的是解決的方法嗎？

隨著微生物體（microbiome）的研究愈來愈深入，科學家們發現，跟動物一樣，植物的全身也蓋滿了微生物，被稱為「植物微生物體」（plant microbiome）。而且，植物微生物體對植物的抗病力與產量、風味等息息相關。有益的微生物體生活在植物表面，幫助植物獲取養分、抵抗病菌（甚至某些動物）的侵略。但是，育種這個行為，卻在不知不覺中讓這些微生物遠離了植物。

如果我們能藉由育種，讓農作物可以召喚回那些對它們有益的微生物，是否就可以降低農藥與化肥的使用呢？

近幾年的研究發現，如對香豆酸（p-coumaric acid）、蠟菊素（scopoletin）等由植物產生的化合物，可以讓植物的微生物體變得更豐富化，提升植物的產量。或許，我們也可以透過育種來調整植物自己合成的產物，讓植物恢復召喚對植物有益的微生物的能力，使植物的抗病性上升、獲取養分的能力提高。

這一類的基因，被科學家命名為「M」基因。「M」是「微生物體」（microbiome）的意思，也就是說，這些基因影響的是植物召喚有益微生物的能力。雖然它們並不會讓植物的可食可用部分變大或抗病能力提高，但是卻可以藉著召喚有益微生物，讓植物不太需要化肥、不太需要農藥，就可以長得好。

要怎樣才能找到這些M基因呢？科學家們建議可以從全基因體關連研究（GWAS）來著手。我個人的想法是，答案一定在野生種作物身上。或許我們可以透過將野生種作物與培育品系的作物雜交後，去找尋可以召喚有益微生物的數量性狀基因座（QTL，quantitative trait loci）的方式，來找出更多的M基因。

另外，也可以透過分析野生種作物與培育品系合成的化學物質圖譜，比較它們的不同之處，找出能影響微生物體組成的關鍵化學物質。一旦關鍵化學物質找到，就可以從植物的代謝途徑去找到合成這些關鍵化學物質的M基因，同時進行育種。

等到我們累積越來越多的M基因，我們便可以使用越來越少的化肥與農藥，我們的農業也會變得更能兼顧永續與產量這兩件事！

參考文獻：

Cernava, T. Coming of age for Microbiome gene breeding in plants. Nat Commun 15, 6623 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50700-7