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防治杂草如何助力消除贫困与守护地球？

第一项可持续发展目标 (SDG 1) "无贫困"是 联合国于 2015 年制定的十七项目标之一, 内容为"在全世界消除一切形式的贫困"。 该目标致力于解决贫困所伴随的粮食、 水源与卫生设施短缺问题, 确保全人类都能获得健康幸福生活所需的基本条件。 自 2000 年以来, 全球贫困率已减半, 但我们仍需付出更多努力, 帮助人们提高收入、 改善生活。 食物是人类的基本需求。 为养活不断增长的人口, 农民需要提高作物产量。 在非洲及其他地区, 杂草对农业构成严峻挑战, 不仅导致特定作物减产, 还会破坏土壤健康, 加剧作物损失。 此外, 气候变化与全球变暖致使干旱等极端天气频发, 进一步损害土壤与作物。 这些威胁会摧毁农民辛勤耕耘的成果, 使他们的家庭与社区陷入饥饿与贫困的危机。

受困于饥饿、 无法供养家庭时, 任何人都难以实现发展。 因此, 清除有害杂草能推动 SDG 1 的实现, 促进作物增产, 使农民能够提供更多食物并获得不错的收入 [1, 2]。 抑制杂草生长还与其他重要的可持续发展目标紧密相连。 例如, SDG 2 "零饥饿"旨在保障健康食物供给, 并支持环境友好型农业, 这又与 SDG 13 "气候行动" （呼吁采取紧急行动应对气候变化及其对人类生活的影响）及 SDG 15 "陆地生物" （旨在保护和修复自然生态, 遏止环境破坏）形成联动。 仅通过清除这些有害杂草, 我们便能带来如此巨大的改变！

谷物的重要性

谷物是供食用的粮食作物。 我们的早餐食品, 特别是面包, 均用谷物制成。 小麦、 玉米、 水稻、 高粱和谷子等谷物是全球种植最广泛的作物, 为人类提供淀粉、 蛋白质和维生素, 是维系生命的关键营养源。 这些谷物也是动物饲料的重要成分, 为家禽饲料、 牛饲料等产业提供原材料。 谷物在粮食供应、 国际贸易和经济增长中发挥着重要作用。 不幸的是, 非洲农民在谷物生产方面正面临多重挑战:缺乏购买农机具的资金、 土地贫瘠、 干旱、 病虫害以及杂草侵染。 非洲谷物的平均产量比全球水平低 44%, 导致许多非洲农民因减产而陷入贫穷与粮食短缺的困境 [1]。

独脚金及其对非洲的影响？

杂草是与作物争夺空间、 土壤、 水分和养分的有害植物, 会阻碍作物正常生长, 给农业生产带来困扰、 消耗宝贵的水资源, 有时甚至能摧毁整片庄稼。 寄生性杂草的危害尤为严重。 这类植物通过依附作物窃取养分来维持生存, 对寄主造成直接伤害。 依附于其他植物根部的根寄生杂草已严重侵染撒哈拉以南非洲、 中东及亚洲部分地区的谷类作物, 其中独脚金属植物是全球最具危害性的杂草 [3]。

独脚金是一种侵害谷类作物的有害杂草, 给非洲农民造成巨大困扰。 这种杂草导致作物严重减产, 每年造成数十亿美元的经济损失 [1], 既伤害小农 （导致其作物减产）, 也影响谷物买卖者 （因粮食供应减少）。 独脚金正迅速蔓延至众多非洲国家, 已危及近半数农田, 加剧数百万非洲民众的饥饿与贫困 。 由于这种寄生性杂草的种子存活时间长、 传播途径广且繁殖数量巨大, 其防治工作异常艰难。

运用科学技术破解独脚金难题

为破解独脚金难题, 我们的团队正在研究一项名为"自杀式萌发"的技术。 要理解这一技术, 首先需了解独脚金复杂的生命周期 （图 1） [5]: 开花后, 单株独脚金能产生大量种子, 迅速在土壤中形成种子库； 这些微小的种子可通过风雨轻易扩散至新区域, 并能在土壤中休眠多年 [6]。 当条件适宜 （高温潮湿）时, 种子会被激活。 一旦感知到附近作物释放的特定化学物质, 特别是名为独脚金内酯的 植物激素, 独脚金种子便会萌发, 发育出名为"吸器"的根状结构, 从而附着于作物根系。 数周后, 独脚金破土而出, 开花结籽, 完成世代繁衍。

要根除这种肆虐非洲国家的恶性杂草, 我们既需减少受侵染土壤中的种子存量, 又得防止种子继续增殖 [7]。 我们的策略是利用独脚金自身的生命周期来反制！ 不妨将独脚金的种子想象为潜伏在土壤中的狡猾窃贼, 它们收到信号后便会苏醒并开始窃取作物养分。 因此, 我们在播种前发出虚假信号, 如同恶作剧闹钟, 诱骗种子提前萌发。 由于此时尚未播种作物, 无处窃取养分的种子耗尽自身能量后便会饿死, 无法再危害作物。 这种虚假信号是实验室合成的化学物质, 能模拟作物自然分泌的独脚金内酯激素 （图 2）。 当萌发的独脚金种子在附着作物前死亡时, 受侵染土壤中的种子储量便会逐渐减少 [8]。

自杀式萌发技术面临的挑战

尽管自杀式萌发技术前景广阔且极具创新性, 但目前仍存在若干不足之处。 首先, 人工合成这些信号分子成本高昂；其次, 我们需要开发更经济的施用方式 （如专用拖拉机或灌溉系统）来实现大面积田地作业；再次, 还需精确把控施用时机, 在最适宜独脚金种子萌发的高温潮湿条件下施入土壤。

为应对这些挑战, 我们研发了两种新型人工独脚金内酯 ——MP3 与 Nijmegen-1, 并与一家大型农业公司合作实现低价生产销售。 借助这些分子, 我们能够有效减少受侵染土壤中的独脚金种子储量。 虽然这些分子目前看起来安全无毒, 但仍需进一步测试以确保这一点。

通过降雨充分发挥自杀式萌发技术的威力

非洲农业面临水资源短缺、 田地不平整、 土壤贫瘠、 机械化程度低等挑战。 针对这些严苛条件, 我们为非洲农业制定了一套施用流程 （图 3） [7]: 等降雨使土壤湿润后再施用信号分子, 诱发土壤中的独脚金种子萌发。 数日后, 这些萌发的种子会因周围无作物可供附着而死亡。 通过这种方式, 我们可有效降低受侵染土壤中的独脚金种子储量。

我们首先在沙特阿卜杜拉国王科技大学 （KAUST） 的温室实验中测试了该技术, 观察到了对独脚金危害的良好控制效果。 随后我们在肯尼亚、 坦桑尼亚、 布基纳法索和尼日尔的农田进行了技术验证, 发现田间独脚金萌发抑制率可达 50%-70%。 得益于该技术, 寄生性杂草得到有效控制, 谷类作物生长状况良好且产量提升。 这些结果表明, 我们的技术有助于这些国家实现 SDG 1。 除独脚金外, 我们研发的化学物质还可用于控制其他寄生性杂草。 添加辅助化学制剂可增强自杀式萌发技术的效果。 在独脚金种子自杀式死亡后, 还可施用其他类型的化学物质, 进一步防止土壤中残存的种子萌发。

自杀式萌发技术帮助农民增产增收, 摆脱贫困

综上所述, 我们为非洲农业面临的重大难题提供了一套简便易行的解决方案。 通过减少土壤中的独脚金种子储量, 全新的自杀式萌发技术在控制该杂草方面展现出显著成效。 这项技术将帮助贫困农民净化被独脚金污染的土壤, 从而实现粮食增产、 收入增加。 凭借这种有效防控恶性寄生杂草的技术, 农民将获得更好的耕种条件, 有望提升作物品质与产量, 从而改善生计, 这正是对 SDG 1 "无贫困"的有力践行。

术语表

干旱 (Drought): ↑ 长期降雨稀少、 导致水资源短缺的状况。

侵染 (Infestation): ↑ 遭受害虫或寄生虫侵袭的状态。

作物产量 (Crop Yield): ↑ 单位土地面积产出的作物数量。

寄生性杂草 (Parasitic Weeds): ↑ 必须依附其他植物 （称为寄主）来获取养分或水分, 并常对寄主造成伤害的杂草。

萌发 (Germination): ↑ 植物从种子生长为幼苗的过程。

独脚金内酯 (Strigolactones): ↑ 植物根系产生的一类化合物。

植物激素 (Plant Hormones): ↑ 植物体内产生的、 在极低浓度下即可调控植物生长发育各个方面的分子。

吸器 (Haustorium): ↑ 从寄生植物根系长出的根状结构, 可伸入或包裹寄主根部以吸收水分或养分。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

本研究由盖茨基金会 （资助编号: OPP1136424 与 INV-06319）及沙特阿卜杜拉国王科技大学共同支持。 感谢阿卜杜拉国王科技大学研究传播团队为本文绘制插图。 谨向阿卜杜拉国王科技大学 （KAUST）的 Ruben Costa 与 Nicki Talbot 致以诚挚谢意, 感谢他们在本文初期撰写与审校阶段提供的宝贵支持, 本系列的完成离不开他们的专业贡献。 我们同时向 KAUST 可持续发展办公室与联合国开发计划署沙特阿拉伯国家办公室表示谢意, 感谢他们始终致力于提升公众对联合国可持续发展目标 （SDG）的认知, 共同推动世界走向更可持续的未来。

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