数百万年来，植物和细菌在土壤中共存，共生，这两者都有益。例如，微生物可以获得氮和磷等必需元素，以换取植物提供的碳。研究人员现在的目标是优化有益细菌，使其能够比以往更好地保护和刺激作物生长和生产。
今天，生物制品，来自植物，细菌，真菌或矿物等天然材料的产品， 有助于可持续农业。它们通过保护植物免受病虫害侵害并提高其生产力，为农民带来益处。拜耳研究人员现在能够通过优化有益细菌为种植者提供新的解决方案。“农民们总是在土壤中种植庄稼，为他们提供良好的生长条件。今天，随着新的研究和技术的进步，我们对土壤细菌和植物之间关系的理解有所增加。
拜耳位于加利福尼亚州西萨克拉门托的工厂的科学家们的目标是通过定向施用优化的细菌来刺激作物的高峰作用。将这些微小的有益生物引入田地的一种方式是对播种的种子进行种子处理。“微生物学组组长Bjorn Traag博士说：”有大量不同的土壤细菌，根微生物组成的组成非常复杂。选择合适的菌株 - 一种具有极其可变特性的细菌种类的不同成员 - 是细菌遗传学家工作中非常早期和关键的一步。“我们来看看微生物及其基因的物理和生化特征 - 或表型 - 生物体DNA上存在的可遗传功能的单位，
细菌DNA可以以非常有针对性的方式改变
一旦研究人员从他们收集的来自土壤的天然细菌中收集了具有感兴趣活性的细菌菌株，他们就会优化其遗传物质，以进一步改善该菌株的相关特征。“基于细胞中遗传蓝图的随机变异，有一些优化菌株DNA的方法，以及允许我们以非常有针对性的方式进行变化的方法，”Traag解释说。拜耳科学家正在根据具体的农业需求研究这两种方法。
当使用随机方法时，该团队利用不同的技术对微生物的基因组进行微小的改变，然后评估源自原始菌株的数千或数万种微生物。一些“后代”将具有改进的表型，研究人员可以使用各种不同的测量工具进行研究。多年来，这些“筛网”已被用于优化各种应用的微生物。
在某些情况下，使用有针对性的技术进行菌种改进以创造为种植者提供益处的产品更有效，甚至是必要的。Damian Curtis博士领导的科学家就是一个例子，他将微生物孢子用作农业活性蛋白质的载体。“我们的目标是通过有针对性的方法稳定这些生物分子，”柯蒂斯说。蛋白质和酶可以改善植物健康，增加产量，保护植物免受害虫或疾病的侵害，但它们通常不稳定或在农业环境中容易降解。美国初创企业拜耳和Elemental Enzymes采用了一种方法，使酶对降解过程更加稳定。
Elemental Enzymes与拜耳公司合作，将其专有的酶稳定技术与拜耳公司数十年的农业经验相结合，从而对细菌进行遗传增强。科学家正在使用来自芽孢杆菌属的细菌，并引入了由两种密切相关的芽孢杆菌属物种组成的基因 - 优化的微生物被称为“属内的”。
酶被稳定以使作物更具生产力
细菌以两种方式使用：第一，表达改善土壤中营养物质可利用性的酶，第二，作为孢子形式的载体。“你可以将一些孢子的表面描绘成像森林一样。在较高的树木之间，有一些较小的树木嵌入并受到保护。哪些是我们的酶，被保护性蛋白质包围，“柯蒂斯说。通过这种方式，拜耳研究人员可以稳定细菌酶，从而提高作物的产量。靶向菌株改良技术在其他行业中是常见的做法，例如药品，纺织品制造和用于生产维生素，洗衣洗涤剂，生物燃料和化妆品的酶生产。
一旦拜耳科学家和他们在Elemental Enzymes的对应物发现了一种有趣的蛋白质，确定它可以被细菌孢子携带，并且该组合产生了有意义的生物效应，在开发产品方面仍有许多工作要做。人类和环境安全是一个关键优先事项：所有菌株在实验室阶段开始，在田间试验之前和开发过程中进行安全性评估。如果酶与孢子一起用作种子处理产品，则将其外部施用于种子。该种子处理还可以与化学作物保护剂组合以防止害虫如线虫，昆虫和真菌。种子处理必须以这样的方式配制，即所有活性物质都可以到达植物并确保最佳的微环境。结合化学作物保护剂，蛋白质和细菌孢子等生物体需要非常广泛的科学技能。“微生物和大分子如酶对环境条件的敏感性远高于化学产品，”拜耳种子生长配方技术首席科学家Milind Singh博士解释说。
多年的研究致力于寻找所有配方成分的最佳成分，并能够提供对人类和环境安全的最终产品。对于客户而言，除了功效之外，最重要的方面是产品的保质期。“我们知道，我们目前使用某些生物制剂达到了18-24个月的最低稳定性。对于基于酶的产品，作为一种新技术，我们没有时间评估长期储存稳定性。到目前为止，我们已经实现了12个月的最终包装和种子稳定性，这是非常重要的，“辛格说。
细菌治疗可以为作物带来至关重要的优势
在过去的10年中，通过对玉米进行种子处理测试，作物保护剂和微生物的正确组合使得产量显着提高了10％。在大豆，棉花和谷物的生产中已经实现了类似的产量收益。所选择的细菌处理可以在作物产量的关键时间窗口中为作物提供关键优势。优化微生物的使用可能是帮助养活不断增长的世界人口的重要一步，因为正确的微生物可以使自然资源有限的土地更富有成效。
里格斯说：“土壤微生物有助于优化作物生产的潜力远远不足以消耗殆尽。” 科学家利用创新方法优化细菌只是将新产品带给种植者的下一步。对于研究人员来说，土壤仍然是一个迷人的水库，充满了微小的微生物，对可持续农业产生了重大影响。
