全球对农作物的需求和消费正在快速增长。 根据《2019年全球农业生产力报告》 ，要在2050年为100亿人可持续地生产粮食、饲料、纤维和生物能源，全球产量需要以平均每年1.73% 的速度增长。 然而，在美国，农业生产率正努力跟上人口增长的步伐，突显出研究传统做法和新做法的重要性。
为了提高作物产量，北亚利桑那大学病原微生物研究所的科学家们正在与普渡大学的研究人员合作，研究土壤中的细菌和真菌群落，以了解微生物群落是如何影响农作物的。 他们相信微生物组科学的技术进步最终将帮助世界各地的农民以更低的成本种植更多的粮食。
Pmi 助理研究教授 Nicholas Bokulich 和生物科学副教授、 PMI 应用微生物科学中心(CAMS)主任 Greg Caporaso 一直在测试一个长期以来的农业信念，即应用系统遗传学——研究生物体之间的进化关系——来定义作物轮作时间表。
这个团队最近发表了他们在《进化应用》中关于农业食品生产中微生物组研究的发现。 这篇论文的题目是“系统发育农业: 进化历史能否通过土壤微生物群系预测作物轮作? ”
具体来说，传统的方法是在不同年份间轮作关系较远的作物，以获得最大的作物产量。 “对于为什么这可能基于一个假设是，植物病原体是特定于单一宿主或非常密切相关的宿主。 如果你在相邻年份种植密切相关的作物，病原体很可能在第二年埋伏等待宿主，”卡波拉索说。 “但这一假设尚未得到直接验证。”
该团队的实验由美国农业部国家食品和农业研究所资助，跨越了两个户外种植季节。 在第一年，普渡大学的科学家凯瑟琳 · 英格尔和伊恩 · 卡普兰种植了36种作物和杂草，这些作物和杂草在进化上与西红柿不同。 这些试验田的种类从西红柿(同种)到茄子(与西红柿同属，但不同种) ，甜椒(与西红柿同科，但属于不同的属和种) ，还有玉米、小麦和黑麦，它们是西红柿的远亲。
在第二个季节，研究人员只在所有的地块上种植西红柿。 他们发现，在第一季种植西红柿的小块土地上，第二年的西红柿产量低于第一年，正如他们所预期的那样。 然而，其他地块的西红柿产量没有显著下降。 卡波拉索说: “这一结果表明，虽然轮作对产量的确很重要，但其影响可能不会超出物种水平。”。
昆虫学教授卡普兰说: “这个结果非常令人惊讶，因为从小规模园艺到大规模农业，在轮作中应该避免近亲植物的想法是一个广泛持有的经验法则。”。 “事实上，除了单一品种的单一栽培(或者番茄之后的番茄)的负面影响之外，我们无法发现任何与作物产量相关的特征，这表明在设计可持续农业系统的轮作方案时，需要考虑其他因素。”
在第二年种植之前，卡波拉索和博库里奇使用微生物组测序方法来测定土壤中的细菌和真菌群落的组成。 他们发现，尽管不同植物的土壤细菌和真菌群落存在显著差异，但一年生作物的微生物遗留物仍然存在。
卡波拉索说: “我们现在能够以前所未有的深度和分辨率探索微生物在农业系统中的作用和微生物组成。”。 “这些技术无疑可以帮助我们优化农业系统，随着时间的推移不断丰富土壤，而不是消耗土壤。”
卡波拉索说，他在这个研究方向上的长期目标是与实践再生农业技术的有机农民合作。 “我们可以了解他们如何利用微生物组科学的进步为自己服务。 我相信，这有助于降低他们的肥料成本和用水量，并在我们的社区建立复原力和粮食安全。”
本科研究员将进行蚯蚓堆肥计划，跟踪微生物组的食品废弃物
在一个由 NAU 绿色基金和 Caporaso 实验室资助的相关项目中，环境科学本科生研究员 Christina Osterink 计划在今年夏天建立一个工作场所堆肥项目的原型。 她的项目将包括与校园内约10个办公室合作，收集食物残渣，并将其运送到位于弗拉格斯塔夫市中心的根微农场。
在将垃圾从堆填区转移到城市农场的同时，奥斯特林克和她的团队还将跟踪收集到的厨余的微生物组，通过蚯蚓堆肥将其转化为高质量的土壤。蚯蚓堆肥是一种基于蚯蚓堆肥的方法。 她说: “这将有助于我们更准确地理解微生物在堆肥过程中的作用，因为我们将整个 NAU 校园和当地农民的努力结合起来，以改善 NAU 的可持续性和 Flagstaff 的土壤完整性。”。
卡波拉索希望 Osterink 的研究结果可以用于优化堆肥系统，降低农民的成本。
将微生物组研究应用于农业科学是农业科学研究的新方向
卡波拉索指出，蚯蚓堆肥项目为他的实验室提供了一个新的研究方向。 “我们在 CAMS 的大部分工作都与人类健康有关，”他说，“但至少有同样多的机会将微生物组研究应用于其他领域，如农业科学。”
同时，作物轮作研究的下一步将是确定影响植物产量的重要因素，特别是如果排除物种的进化相关性。
“我们是否希望通过种植具有类似土壤微生物群落的作物，使有益细菌和真菌已经到位，以支持下一个生长季节? ” 卡波拉索说。 “这对于小型城市农场和大型工业企业都是有价值的信息。”
Ian Kaplan, Nicholas A. Bokulich, J. Gregory Caporaso, Laramy S. Enders, Wadih Ghanem, Kathryn S. Ingerslew. Phylogenetic farming: Can evolutionary history predict
