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香蕉灭绝:巴拿马病已经复发,卡文迪什不再具有抗药性

巴拿马病是一种肆虐香蕉植物的感染病,已遍及亚洲,澳大利亚,中东和非洲。 影响是毁灭性的。 仅在菲律宾,损失就达4亿美元。 这种疾病不仅威胁着这个440亿美元产业中每个人的生计,也威胁到发展中国家4亿人依赖香蕉获取大部分卡路里摄入量。

但是,可能有希望。 为了拯救香蕉和生产香蕉的行业,科学家正在竞相创造一种抗巴拿马病的新植物。 但也许这场危机警告我们正在以不可持续的方式种植我们的食物,我们需要寻求更彻底的改变才能获得永久的解决方案。

为了理解我们如何到达这里,我们需要回顾一下香蕉的历史,特别是上个世纪中叶,几十年来一直存在的危机可能会导致整个经济陷入困境并导致成千上万的经济衰退。贫困。 香蕉正在消失。

在世界上主要的拉丁美洲香蕉生产国,一种被称为枯萎病或巴拿马病的病症正在消灭整个种植园。 它威胁到一个对世界这一地区如此重要的行业,一些州被称为香蕉共和国,因为它们实际上由生产该作物的公司管理。

因为相同类型的香蕉实际上在遗传上是相同的,如果一种植物被感染,那么种植园中的所有其他树木也是易感的。 这意味着巴拿马病很容易横扫大片脆弱的寄主植物。 在许多地区,所有的树木都被杀死了。

如果没有治愈或治疗,一旦病情发生,就无法恢复种植。 有一段时间,香蕉公司在未受破坏的热带雨林中种植了新的种植园。 但这种环境破坏行为只会推迟不可避免的行为。 不久,这些地区也受到污染,种植变得不可持续。 估计数有所不同,但巴拿马疾病流行造成的损失可能达到23亿美元,相当于今天的182亿美元。

幸运的是,香蕉公司意识到另一种叫做卡文迪什的香蕉,与当时在拉丁美洲种植的格罗斯米歇尔不同,几乎完全抵抗巴拿马病。 从20世纪50年代开始,格罗斯米歇尔(或“大迈克”)的种植园被系统地清理并用卡文迪什树取代。

卡文迪什已经拯救了这个行业,五十年来它一直在世界各地蔓延开来。 今天,99%的出口香蕉和近一半的全球总产量属于卡文迪什品种。 但这种力量现在已经成为香蕉业最大的弱点。 巴拿马病已经复发,这次卡文迪什不再抗拒。

随着新菌株席卷全球,这一祸害重返加勒比海和中美洲的大型种植园只是时间问题。 然而,关于如何解决这一最新危机的教训可能在于巴拿马疾病的最后一次爆发,​​当时一个不太可能的消息来源得出答案。 不是东南亚的丛林,香蕉是土生土长的,而是来自英国德比郡的查茨沃斯庄园,这里是政治家和热爱园艺家威廉卡文迪什的故居,他是德文郡第六公爵。

公爵和园丁

1826年,卡文迪什雇用了一位年轻而充满热情的农民的儿子作为他的首席园丁。 这是Joseph Paxton,他继续利用他在Chatsworth建造实验温室的专业知识来设计伦敦着名的水晶宫。

帕克斯顿为公爵聚集的奇异标本中有一个短香蕉植物,他从已故酿酒商罗伯特巴克莱的Dorking系列中以13美元购买,后者又从毛里求斯Pamplemousses的植物园收到了它。 帕克斯顿宣传并将植物养了三年,直到最终为卡文迪什勋爵和他的客人制作水果。

帕克斯顿在该工厂的成功,他在他的赞助人之后命名为Musa Cavendishii ,在1835年皇家园艺学会展览中获得银奖。 在这个名气之后,卖掉巴克莱收藏品的托儿所试图声称该工厂的发票应该是130美元而不是13美元。 帕克斯顿没有付出差价。

然后开始在全世界范围内传播卡文迪什。 香蕉有很长的迁徙历史。 考古证据表明,它们最初是在至少6800年前在东南亚和新几内亚种植的,并且在6,000年前传播到斯里兰卡,到5,250年前传播到乌干达。 在欧洲人在15世纪末开始穿越大西洋之后,香蕉迅速跟随,蔓延到加勒比海和美洲的热带地区。

但是,在18世纪,启蒙时代开始了一个重要的新阶段,即在业余和专业植物学家和园丁的科学航行中收集的香蕉品种。 许多人最初到达了新的地区,因为他们是在植物园或私人花园种植它们的爱好者之间分享的,就像帕克斯顿那样。

他和他的继任者继续这一趋势,将查茨沃斯的许多标本交给收藏家和慈善家,并帮助将卡文迪什香蕉分发到世界各地。 他们前往加那利群岛,在那里他们后来成长为出口,可能是通过苏格兰豪宅的花园和移民到特内里费岛的葡萄酒商人。 标本也到达了牙买加,1884年他们在圣托马斯的巴斯花园种植。

太平洋群岛的传教士约翰威廉姆斯获得了卡文迪什植物,以便在他的事工中提供食物。 这些标本最初于1838年在萨摩亚建立,并从那里传播到汤加,斐济,塔希提岛,夏威夷和澳大利亚,以及香蕉新几内亚的原始家园。 威廉姆斯自己并没有看到这一点,因为他在1839年被新的赫布里底群岛的岛民吃掉了,他们大概对他的信息并不热心。

同时,Gros Michel品种于19世纪初由缅甸从法国制图师和私人尼古拉斯·鲍丁(Nicolas Baudin)带到马提尼克岛的圣皮埃尔植物园。 从那里开始,植物学家JeanFrançoisPouyat于1835年将其带到了牙买加。 20世纪初用于建立香蕉出口产业的植物可能来自这些标本。

幸运的故障

将这些香蕉植物分布到世界各地的热量足以使它们生长的原因是它们是无菌的,这令人惊讶。 野生香蕉中充满了大量的硬质种子,这使得它们难以进食。 现代香蕉甚至不能种子。 但这远远不能阻止它们的传播,这种遗传怪癖使香蕉成为理想的作物。 是什么让他们如此脆弱。

现代香蕉和大蕉植物被称为三倍体,意味着它们具有携带其基因的每个染色体的三个拷贝。 因此,它们不能进行性生殖,因为它们的染色体不能平等分裂以产生性细胞,就像在每个染色体上有两个拷贝的“二倍体”生物体(例如人类,大多数动物和许多植物)中所发生的那样。

当在二倍体生物体中形成性细胞的过程中出现故障时,可能出现这样的三倍体。 偶尔产生的细胞具有每个染色体的两个拷贝而不是一个。 当这些植物与正常的性细胞融合时,新植物有两条来自父母的染色体和一条来自另一条的染色体,阻止它自己制造可行的性细胞。 在香蕉的情况下,植物仍然生产水果但不能种子。

从表面上看,这似乎是一个问题,但植物并不完全依赖有性生殖。 正如任何园丁所知,新植物可以从扦插开始,新的香蕉树通常是从现有植物中通过重新种植根茎(称为根茎)或从其中生长的称为吸盘的枝条生产的。

驯化香蕉和大蕉的史前人民对染色体数量一无所知。 但他们种植的许多品种几乎都是三倍体。 因此,他们必须学会了解这些幸运的事故并培养它们,更喜欢它们与野生和肮脏的关系。

这有重要的后果,无论好坏。 来自插条的植物是彼此的克隆,并且给予或采取奇怪的突变,在遗传上是相同的。 这从等式中消除了变化和机会。 显然,我们只种植有活力的树木副本并生产我们喜欢的水果,所有的新树与我们采摘的树木几乎相同。

这对于工业规模的生产非常有用,因为水果是一致的,如果你以同样的方式收获和处理它们,它们都会成熟并且可以同时食用。 不幸的是,对于感染它们的任何疾病来说它也是很好的,因为如果它在一棵树上立足,那么附近的那些也将是脆弱的,它们的邻居也是如此,并且它可以在整个种植园中传播。 这正是现在正在发生的事情。

巴拿马回归

巴拿马病最早的发现实际上是1874年在澳大利亚。首先,香蕉树的叶子停止生长。 然后他们开始卷曲和枯萎。 最终树木完全变干并死亡。 1890年,这种疾病在其同名国家被发现,并在接下来的30年中蔓延到大多数加勒比和中美洲国家。

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一个患病的香蕉。 iStock

确定原因需要一段时间,但在1910年,它被发现是枯萎病真菌Fusarium oxysporum cubense或简称“Foc”。 植物死亡是因为从根部到叶子的水和矿物质的通道被堵塞了。 最初认为这些管道被真菌堵塞了,但我们现在知道植物本身堵塞它们,可能是徒劳地试图阻止真菌蔓延。

我们现在也知道Foc是由受污染的土壤传播的。 少量受污染的土壤可将疾病传播到新的种植园,在那里它几十年仍然具有传染性,不受任何化学处理的影响。 这就是20世纪50年代香蕉业面临的形势,当时世界各地的格罗斯米歇尔种植园不堪重负。

卡文迪什香蕉需要比格罗斯米歇尔更多的保护,并且相比之下被认为是小而无味的。 但考虑到卡文迪什对Foc的明显豁免权,以及其他方面面临完全崩溃,该行业别无选择,只能改变。

有一段时间,看起来香蕉已经被保存了。 然后,在20世纪60年代后期,在台湾发现了另一次巴拿马病爆发,这次是在卡文迪什植物种植园。 到了21世纪初,台湾原有的5万公顷土地上只有6,000公顷的香蕉种植园。

这个令人费解的发展归结为这样一个事实,就像香蕉的种类不同,有不同类型的Foc。 格罗斯米歇尔树被所谓的“种族1”感染。 在台湾出现的真菌菌株被称为“热带种族4”或TR4。 它不仅可以感染格罗斯米歇尔,还可以感染卡文迪什香蕉和多达80%的栽培品种。 (虽然这假设大蕉也很容易受到影响,到目前为止,无论如何都没有确凿的证据。)所以现在这个行业再次面临灾难,这次可以做些什么来拯救呢?

遗传解决方案?

最简单的回应是隔离。 巴拿马病在20世纪是如此具有破坏性,因为控制其蔓延的有效措施来得太迟了。 如果早先已经认识到问题的严重性,那么台湾第一次爆发的第四次爆发也有可能被扼杀在萌芽状态。 但似乎卡文迪什植物对种族1的固有抵抗鼓励了自满,直到疫情失控。

我们可以通过防止受感染的植物材料和土壤到达新的地区来阻止蔓延吗? 不幸的是,它并不一定容易。 Foc可以潜伏在轮子或鞋子上的微小泥浆中。 进入种植园的人,机器和其他一切都必须严格控制。 想象一下,经营什么本质上是一个农场,所有非必需的人和车辆被排除在外,并为那些你必须进入的人提供更换和去污区。

它在澳大利亚工作了一段时间,它有非常严格的规则来防止外国土壤进入该国,但即使在那里,防御在2015年遭到破坏。总是有滑倒,而且人们忽视规则。 在许多地区,有未受保护的香蕉植物在野外生长或在村庄生长,如果这些植物被感染,它们可以作为疾病的桥梁,从一个种植园到另一个种植园。 隔离可能会减缓TR4的进程,但从长远来看,我们确实需要一种能抵抗真菌的香蕉。

在这里,香蕉的三倍体性质呈现出不希望的并发症。 从历史上看,新作物品种是通过将具有所需特征的植物杂交而培育出来的,直到将它们组合成一个新品种。 例如,交叉繁殖一种能够为另一种抗病的农民带来良好产量的植物。 但是,穿越驯化的香蕉不会产生任何种子,所以这通常不是一种选择。

然而,遗传修饰提供了在植物(和其他生物)之间移动特性的其他方法。 原则上,这可以提供解决方案,并且已经有一些有希望的结果。 澳大利亚的研究人员发现,在卡文迪什香蕉的遗传密码中添加两种不同的基因可以保护植物免受TR4的侵害。 第一种来自对TR4有抗性的野生香蕉,是识别入侵疾病的大型基因家族之一,因此植物可以保护自己。

第二种来自更不可能的来源:线虫蠕虫。 有时生物需要一些细胞来牺牲自己。 一个戏剧性的例子是当一棵树在冬天流下它的叶子,但它也发生在我们自己的发展中。 在子宫中,当分离它们的细胞死亡时,你的手指就像鳍状肢状附肢一样形成。 线虫基因是阻断这一过程的基因。

这似乎是保护植物的一种奇怪方式,但它可能对香蕉中的TR4有效,因为正如我们之前所见,入侵的真菌实际上可能会劫持这一过程,使用化学信息对香蕉细胞进行自毁。 线虫基因可以通过阻断这些信号起作用。

使用这些方法,我们可以继续吃我们习惯的香蕉,甚至看看它是否有助于恢复更美味的Gros Michel。 但这些抗性卡文迪什香蕉现在是转基因作物。 许多国家的人们习惯于食用转基因食品,但在欧洲却不是这样,因为欧洲拥有世界上最严格的转基因食品法规。 如果是转基因香蕉或者根本没有转基因香蕉,也许可以说服欧洲监管机构做出例外。 但我们可能需要寻找另一种解决方案。

染色体数学

一种替代方案可以是从头开始制造新的三倍体无籽植物。 当香蕉首次被驯化时,挑选出产生无籽果实的偶然树木一定是一个缓慢的过程。 但是现在我们了解这个过程,我们可以更容易地制造自己的三倍体植物。

这通常使用具有四种拷贝的每种染色体四倍体的植物来完成。 它们通常生长得更快,产生更坚固的植物,能够比二倍体关系更能承受压力(我们的许多作物都扩大了染色体数量)。 但它们在植物育种中特别有用,因为它们产生具有每个染色体两个拷贝的性细胞。 这允许创建否则不可能的不育杂种。

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卡文迪什香蕉处于危险之中。 PATRICK KOVARIK / AFP / Getty Images

当你用正常的二倍体植物(每个性细胞只有一个每个染色体拷贝)穿过四倍体(每个性细胞中每个染色体的两个拷贝)时,你得到一个三倍体。 三倍体植物不能产生自己的性细胞。 所以如果它是香蕉,它的果实将是无籽的。

通过在物种之间进行不育杂交,将植物等同于骡子,并将其暴露于使其染色体加倍并变成四倍体的化学物质,可以实现相同的结果。 以这种方式制作了一种叫小黑麦的小麦和黑麦杂​​交种。

一些育种计划通过杂交三倍体和二倍体品种制造四倍体植物,但这取决于不常见的遗传事件,因此需要时间和精力。 更快的方法是使用一种名为秋水仙碱的化学物质迫使染色体加倍。

从这些方法,我们现在有许多四倍体合成香蕉杂交种,一些已被证明对TR4具有抗性。 这些植物在商业上不是很有用,因为它们是肥沃的,所以产生种子填充的香蕉。 但它们可以相互交叉,将有用的特性结合在一起,然后用普通的二倍体树木制成新一代的三倍体无籽香蕉。 这种方法也创造了一些对TR4具有抗性的新型杂交种,但到目前为止还没有我们想要替代卡文迪什的风味和一致性。

稍微更激进的方法是尝试进化抗TR4的植物。 卡文迪什植物是克隆体,但由于DNA的读取方式发生突变和变化,它们的遗传密码会随着时间的推移而略有不同。

台湾的一个小组已经将卡文迪什香蕉幼苗暴露在被TR4污染的土壤中,并寻找那些比其他土壤更好地存活的土壤。 他们挑出这些并将它们用于下一次试验。 每10,000只中只有两三种植物显示出前景,但经过多次迭代,它们现在拥有卡文迪什系列,能够承受TR4。

然而,这些潜在的解决方案都没有解决这样一个事实:种植大量克隆树种植园是一种本质上不稳定的做事方式。 它们可以提供规模经济,降低价格并提供一致的美味水果。 但是,即使有了解决TR4的解决方案,在下一次疾病发生之前需要多长时间?

也许我们应该使用更多种类的香蕉,并将它们与其他作物一起种植或与它们交替进行。 这样,感染就不会发现像现在这样的大片易感宿主。

还有证据表明,其他一些作物可以保护香蕉免受TR4的伤害。 发现,种植在受TR4污染的土壤中的香蕉在与中国韭菜生长相同的田地中生长了三年之后,基本上没有感染。 这似乎是因为中国韭菜释放杀死真菌的化学物质。 木薯也会清除TR4的田地,可能是因为木薯本身产生的抗真菌物质以及与其根相关的微生物。

卡文迪什香蕉可能有从殖民地好奇心到全球主食的非凡旅程。 但它的成功有助于创造一个具有致命缺陷的食品系统(尽管单一农业的这个问题并不是香蕉特有的)。 也许我们最终需要准备好接受标准化程度较低且价格稍贵的食品,以适应不那么紧张和多样化的农业。 当你去皮香蕉时,你可能永远不会确定会发生什么,但结果可能是一个更强大和可持续的食品系统,每隔几十年就没有重大危机。

是英国植物生物化学高级讲师

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