麻省理工学院（MIT）的研究人员正在开发应激信号植物、微生物肥料和保护性种子涂层等创新农业技术，以使农业适应气候变化并提高粮食安全。随着全球气温不断升高，农业生产方式必须适应新的挑战。 气候变化预计将增加干旱的频率，一些土地可能不再可耕。 此外，如果不扩大化肥和其他农用化学品的生产，就越来越难以养活不断增长的人口。
现在，麻省理工学院的科学家们正在从多个角度解决这些问题，包括开发出在压力下能发出警报的植物，以及让种子更能抵御干旱。 随着气候的变化，这些技术以及更多有待开发的技术对养活世界人口至关重要。
"在水之后，我们首先需要的是食物。 就优先顺序而言，首先是水、食物，然后才是其他一切。" 麻省理工学院土木与环境工程系副教授贝内代托-马雷利（Benedetto Marelli）说："当我们试图寻找新的战略来支持一个拥有 100 亿人口的世界时，这将要求我们发明新的制造食物的方法。"
马雷利是麻省理工学院最近启动的气候项目六大任务之一的负责人，该项目侧重于工业去碳化和建设弹性城市等研究领域。 马瑞利负责"野卡"任务，该任务旨在找出高风险、高回报的非常规解决方案。
Marelli 说，麻省理工学院利用各领域的专业知识，完全有能力应对气候变化带来的挑战。"将我们在工程学、规模加工、生物工程、基础设施工程等各学科的优势与人文、科学和经济学结合起来，是一个很好的机会"。
保护种子免受干旱影响
马瑞利的职业生涯始于从事再生医学研究的生物医学工程师，现在他正在开发提高农作物产量的方法，帮助种子在干旱条件下或养分耗尽的土壤中存活和发芽。 为了实现这一目标，他设计了基于丝和其他聚合物的种子包衣，可以在关键的发芽过程中包裹和滋养种子。
麻省理工学院的研究人员发明了一种方法，可以在种子关键的发芽阶段保护它们免受缺水的压力，甚至还能为植物提供额外的营养。 图片来源：Felice Frankel
在健康的土壤中，植物可以获得所需的氮、磷和其他养分，其中许多养分是由生活在土壤中的微生物提供的。 然而，遭受干旱或过度耕作的土壤往往缺乏这些养分。 马瑞利的想法是给种子涂上一层聚合物，这种聚合物可以嵌入促进植物生长的细菌，这些细菌通过吸收空气中的氮来"固定"氮，并将其提供给植物。 这种微生物还能为植物提供其他必需的养分。
在第一代种子包衣中，他将这些微生物嵌入丝绸制成的包衣中--他以前曾证明这种材料可以延长农产品、肉类和其他食品的货架寿命。 马雷利在麻省理工学院的实验室里证明，种子包衣可以帮助发芽植物在干旱、紫外线照射和高盐度环境中存活。
现在，他正与摩洛哥穆罕默德六世理工大学的研究人员合作，将这种方法应用于摩洛哥本土的农作物，由于气候变化导致降雨量减少，摩洛哥已连续六年遭受干旱。
在这些研究中，研究人员使用了一种从食物垃圾中提取的生物聚合物涂层，而不是蚕丝。
马雷利说："我们正在与当地社区合作提取生物聚合物，以尝试一种规模化的工艺，从而制造出能在特定环境下使用的材料。我们可能会在麻省理工学院的高资源环境中提出一个想法，但要在那里发挥作用，我们需要与当地社区、当地利益相关者进行交流，利用他们自己的聪明才智，努力将我们的解决方案与实际可应用于当地环境的东西相匹配。"
以微生物为肥料
无论是否遭遇干旱，只要施用合成肥料，农作物就能长得更好。 虽然化肥对大多数农场来说必不可少，但施肥成本高昂，而且会对环境造成影响。 世界上大部分化肥都是通过哈伯-博施工艺生产的，该工艺在高温高压下将氮和氢转化为氨。 这种能源密集型工艺的温室气体排放量约占全球温室气体排放量的 1.5%，而将化肥运送到世界各地农场所需的运输则增加了更多的排放量。
麻省理工学院化学工程保罗-库克（Paul M. Cook）职业发展助理教授阿里尔-弗斯特（Ariel Furst）正在开发一种微生物替代方法来替代哈伯-博施工艺。 一些农场已经尝试将固氮菌直接施用到作物根部，并取得了一定的成功。 不过，这种微生物过于娇嫩，无法长期储存或运往任何地方，因此必须在农场的生物反应器中生产。
麻省理工学院的化学工程师设计出一种金属有机涂层，既能保护细菌细胞免受损害，又不会妨碍其生长或功能。 有了这些涂层的细菌，农民就可以更容易地将微生物用作肥料。 左侧插图显示了形成微生物保护壳的成分，中间插图以三角形表示。 图片来源：Jose-Luis Olivares，麻省理工学院，根据研究人员提供的数据绘制
为了克服这些挑战，福斯特开发出一种方法，给微生物涂上一层保护壳，防止它们被热或其他压力破坏。 这种涂层还能保护微生物免受冷冻干燥造成的损害--冷冻干燥过程将使微生物更容易运输。
涂层的成分各不相同，但都由两种成分组成。 一种是铁、锰或锌等金属，另一种是多酚--一种植物源有机化合物，包括单宁酸和其他抗氧化剂。 这两种成分会自我组装成一个保护壳，将细菌包裹起来。
Furst说："这些微生物将与种子一起运送，因此无需在生长中期施肥。 它还能降低成本，为农民提供更多的自主权，减少与农业相关的碳排放，我们认为，这将是一种使农业完全再生的方法，因此在恢复土壤健康的同时，还能提高作物产量和养分密度。"
福斯特成立了一家名为 Seia Bio 的公司，该公司正致力于将涂层微生物商业化，并已开始在巴西的农场进行测试。 在她的实验室里，Furst 还在研究如何将这种方法应用于包被微生物，使其能够捕捉大气中的二氧化碳并将其转化为石灰石，从而有助于提高土壤的 pH 值。
她说："它可以帮助改变土壤的 pH 值，使其稳定，同时也是一种有效进行二氧化碳直接空气捕获的方法。现在，农民可能会用卡车运石灰石来改变土壤的 pH 值，这样就产生了大量的排放，而微生物本身就可以做到这一点。"
植物困境传感器
几年前，麻省理工学院化学工程 Carbon P. Dubbs 教授迈克尔-斯特拉诺（Michael Strano）开始探索利用植物本身作为传感器，揭示植物何时处于困境的想法。 当植物遭遇干旱、虫害或其他压力时，它们会产生激素和其他信号分子来保护自己。
斯特拉诺的实验室专门为各种分子开发微小的传感器，他想知道能否在植物体内部署这种传感器，以接收这些求救信号。 为了制造传感器，斯特拉诺的实验室利用了单壁碳纳米管的特殊性能，它能发出荧光。 通过用不同类型的聚合物包裹碳纳米管，传感器可以被调整为检测特定目标，当目标出现时，传感器就会发出荧光信号。
为了在植物中使用，斯特拉诺和他的同事们制造出了传感器，可以检测水杨酸酸和过氧化氢等信号分子。 他们随后证明，可以在不伤害植物的情况下将这些传感器植入植物叶片的底部。 一旦嵌入叶片的叶肉中，传感器就能接收到各种信号，这些信号可以用红外摄像机读取。
研究人员利用一对由碳纳米管制成的传感器，发现了有助于植物对热量、光照或昆虫或细菌攻击等压力做出反应的信号。 农民们可以利用这些传感器来监测农作物受到的威胁，从而在农作物绝收之前进行干预。 图片来源：麻省理工学院新闻；iStock
这些传感器可以实时显示植物是否受到各种压力。 到目前为止，还没有一种方法能让农民快速获得这些信息，并据此采取行动。
斯特拉诺说："我们要做的是制作工具，将信息快速传递到农民手中，让他们能够快速做出适应性决策，从而提高产量。我们正在进行一场革命，真正了解植物内部交流和与其他植物交流的方式。"
这种传感技术可以部署在田间，帮助农民更快地应对干旱和其他压力；也可以部署在温室、垂直农场和其他类型的室内农场，利用技术在受控环境中种植作物。
斯特拉诺在这一领域的大部分工作都是在美国农业部（USDA）的支持下进行的，也是新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）"农业精准的颠覆性和可持续技术"（DiSTAP）计划的一部分，在新加坡一个名为"Growy"的受控环境农场的作物试验中部署了传感器。
"同样的基本工具可以帮助检测露地农业或受控环境农业中的问题，"斯特拉诺说。"它们都存在同样的问题，即农民获得信息的时间太晚，无法防止产量损失。"
减少农药使用
农药是农民的另一项巨额经济支出： 全世界农民每年在杀虫剂上花费约 600 亿美元。 其中大部分农药最终会在水和土壤中积累，对包括人类在内的许多物种造成危害。 但是，如果不使用杀虫剂，农民可能会损失一半以上的庄稼。
麻省理工学院机械工程学教授克里帕-瓦拉纳西（Kripa Varanasi）正在研究能帮助农民测量有多少杀虫剂到达植物的工具，以及能帮助杀虫剂更有效地附着在植物上，从而减少流入土壤和水中的杀虫剂量的技术。
瓦拉纳西的研究重点是液滴和表面之间的相互作用，十多年前，他参加了美国农业部的一次会议后，开始考虑将自己的研究成果应用于农业。 在那里，他受到启发，开始研究如何通过优化叶片表面的相互作用来提高杀虫剂的施用效率。
他说："数十亿滴杀虫剂被喷洒在每英亩农作物上，最终只有一小部分能够达到目标并保持在目标位置。 在我看来，这是一个我们可以帮助解决的问题。"
瓦拉纳西和他的学生们开始探索如何让杀虫剂更好地滴在树叶上，而不是弹开。 他们发现，如果加入带正电荷和负电荷的聚合物，带相反电荷的液滴会在叶片表面形成一层亲水（吸水）涂层，这将有助于下一滴液滴粘在叶片上。
AgZen 公司开发了一种农用系统，可以在喷雾器驶过田地时，实时监测喷洒的化学品在植物上的确切附着量。 平板电脑上运行的内置软件可向操作员准确显示每片叶子被喷洒覆盖的程度。 图片来源：AgZen 公司提供
后来，他们开发出了一种更易于使用的技术，即在喷洒前在杀虫剂中加入表面活性剂。 当这种混合物通过一个特殊的喷嘴喷出时，就会形成被表面活性剂"包裹"起来的微小液滴。 表面活性剂能帮助液滴在几毫秒内粘住树叶，而不会弹开。
2020 年，瓦拉纳西和维什努-贾亚普拉卡什（Vishnu Jayaprakash SM '19、PhD '22）成立了一家名为AgZen的公司，将他们的技术商业化，并让农民掌握这些技术。 他们将改善农药附着力的想法融入到名为 EnhanceCoverage 的产品中。
在该产品的测试过程中，他们发现没有任何好的方法可以测量有多少液滴留在了植物上。 这促使他们开发了一种名为 RealCoverage 的产品，该产品以机器视觉为基础。 它可以安装在任何杀虫剂喷雾器上，并提供实时反馈，说明有多少比例的杀虫剂液滴附着在每片叶子上。
2024 年，从爱荷华州的大豆到佐治亚州的棉花，RealCoverage 在全美 65000 英亩的农田上得到了应用。 使用该产品的农民能够减少 30% 至 50% 的农药用量，因为他们利用数据优化了施药，在某些情况下甚至改变了喷洒的化学品。
他希望，预计将于 2025 年上市的 EnhanceCoverage 产品能帮助农民进一步减少农药用量。
"我们的使命是帮助农民节省开支，同时帮助他们提高产量。" 瓦拉纳西说："我们已经找到了一种方法，既能做到这一点，又能减少浪费，减少我们向大气、土壤和水中投放的化学物质的数量。 这就是麻省理工学院的方法：找出真正的问题所在以及如何提出解决方案。 现在我们有了一个工具，我希望它能在各地部署，每个人都能从中受益。"
编译自/ScitechDaily