新技术通过检测空气中的植物疾病 DNA 来保护农作物

现在，我们可以在农作物被感染之前就检测到它们。通过识别漂浮在空气中的孢子中的 DNA，人们希望一种名为 AirSeq 的新技术能够帮助农民在使用更少化学品的同时更有效地防治农作物病虫害。

空气中的 DNA 对于保护我们的粮食安全至关重要。

每年，全球有高达 40% 的农作物因病虫害而损失，农民因此损失数千亿英镑。每年全球使用超过 400 万公吨的农用杀虫剂来抑制这些威胁，这对土壤、水源甚至我们自身都造成了损害。

在许多情况下，杀虫剂对阻止感染几乎没有作用。许多疾病只有在植物开始出现症状后才会被发现，此时挽救它们往往为时已晚。

现在，自然历史博物馆和厄尔汉姆研究所的研究人员开发出一种新方法，可以在这些感染成为问题之前检测出来。这种名为 AirSeq 的设备可以吸入数千升空气来识别致病真菌的 DNA 片段。

在英格兰东部进行的测试表明，AirSeq 可以追踪这种 DNA 水平在一年中的波动情况。这项新研究的合著者之一马特·克拉克博士表示，这可以让农民在感染风险最高时采取行动。

“目前，农民们会向农作物喷洒杀菌剂，使作物无法抵御可能的真菌感染，”马特说，“但由于不同农作物对不同病原菌的抵抗力不同，因此这并不总是必要的。”

“AirSeq 可以检测出哪些孢子存在以及它们的数量，这将使农民知道是否需要使用杀菌剂。这意味着农民可以更有效地喷洒农作物，节省资金并促进更可持续的农业。”

该研究结果发表在《当代生物学》杂志上。

真菌疾病风险不断上升

几百年前，农业与现在截然不同。农民在相对较小的土地上种植多种作物。这种作物多样性意味着农场对潜在疾病的抵抗力更强，但代价是产量较低。

如今，许多农田都采用单一栽培，农民在广阔的土地上种植单一品种的作物。虽然这提高了耕作效率，但也增加了患病的风险。感染可以像野火一样在植物中蔓延，尤其是在具有非常相似基因的植物中。

真菌是植物感染的最主要原因之一。茎锈病和斑枯病等真菌疾病会杀死大量农作物，损失估计足以养活 6 亿至 40 亿人一整年的食物。

由于气候变化，这些损失预计只会增加，这使得防治真菌疾病比以往任何时候都更加重要。然而，仅仅使用更多的化学品并不是答案。就像细菌对抗生素产生免疫力一样，真菌也会对杀菌剂产生抗药性。

“如果过度使用杀菌剂，存活下来的真菌就会对其产生免疫力，”马特解释道。“有些杀菌剂还会影响动物体内的激素分泌，因此过度使用杀菌剂也会对我们的健康构成威胁。”

“因此，欧盟目前已禁止使用一些关键杀菌剂。随着这些化学品的逐步淘汰，谨慎使用剩余的选项以防止产生杀菌剂抗药性就显得更加重要。”

这些问题促使团队开发了 AirSeq 技术。该项目最初旨在研究孢子如何在田地间移动，后来发展成为通过空气中的 DNA主动监测农作物病害。

AirSeq 能做什么?

AirSeq 的工作原理是将空气吸入一系列过滤器，空气中的颗粒最终进入收集液。然后浓缩该液体并用于 DNA 提取和测序，以查明空气中的物质。

为了证明其有效性，该团队首先在风洞中测试了 AirSeq 检测苏云金芽孢杆菌 (Bt) 的能力。细菌被逐渐释放到空气中，浓度逐渐升高，设备捕获的 Bt DNA 浓度也逐渐升高，并通过测序检测出来。

在受控环境中验证了该技术后，是时候在田间测试 AirSeq 了。该设备在一个半月内对小麦、大麦和豌豆田周围的空气进行了采样，以查看它能检测到什么。

“我们的方法是对空气中的所有物质进行测序，而不是专注于某些基因或序列，”马特解释道。“如果我们只对某些基因或物种进行测序，那么就可能会错过那些我们没能找到的东西。”

“这种方法可以检测任何东西，包括新的和意想不到的疾病菌株。从长远来看，它可以让我们了解这些病原体是如何进化的。”

AirSeq 试验揭示了多种不同疾病的 DNA，包括由真菌和细菌引起的疾病。这些疾病包括英国常见的小麦疾病，如白粉病和叶斑病，以及较不常见的疾病，如秆锈病。

病原体的水平似乎与气候和天气有关，较高的湿度和降雨量与真菌孢子的增加有关。

该团队现在希望继续开发 AirSeq，以便能够推广到世界各地的农民。他们的最终目标是生产一种可以持续监测空气中是否有疾病迹象的独立设备。

这可以帮助农民采取有针对性的行动来减少农作物损失，并在某种程度上减少世界饥饿。