De är inte bönder, men de arbetar i böndernas namn överallt. Under sina vita labbrockar slår deras hjärtan med ett uppdrag att låsa upp jordens hemligheter – vilket gör böndernas arbete lite lättare, öka produktiviteten på varje fält och minska de kostsamma insatsvarorna som sträcker böndernas vinster så tunn som en tråd.

"Att producera mer mat med mindre resurser kan tyckas för bra för att vara sant, men världens bönder har biljoner potentiella partners som kan hjälpa till att uppnå det ambitiösa målet. Dessa partner är mikrober.'

American Society of Microbiologists (ASM) släppte nyligen en skattkammare av sin senaste forskning och är ivriga att få den i händerna på bönder. Att erkänna att bönder kommer att behöva producera 70 till 100 procent mer mat för att föda de beräknade 9 miljarder människor som kommer att befolka jorden år 2050, de förblir uppfriskande optimistiska i sitt arbete. I inledningen till deras senaste rapport står det:

"Att producera mer mat med mindre resurser kan tyckas för bra för att vara sant, men världens bönder har biljoner potentiella partners som kan hjälpa till att uppnå det ambitiösa målet. Dessa partner är mikrober."

Minglar med mikrober

Linda Kinkel från University of Minnesotas institution för växtpatologi var en av delegaterna vid ASM:s kollokvium i december 2012, där innovatörer från vetenskapen, agribusiness och USDA tillbringade två dagar med att dela sin forskning och diskutera lösningar på de mest angelägna problemen inom jordbruket.

"Vi förstår bara en bråkdel av vad mikrober gör för att hjälpa till med växttillväxt, " hon säger. "Men den tekniska förmågan att kategorisera det stora okända samhället [av mikroorganismer] har förbättrats snabbt under de senaste åren."

Mikrobiologer har noggrant dokumenterat fall där bakterier, svampar, nematoder – även virus – har bildat ömsesidigt fördelaktiga associationer med matväxter, förbättra deras förmåga att absorbera näringsämnen och motstå torka, sjukdomar och skadedjur. Mikrober kan göra det möjligt för växter att bättre tolerera extrema temperaturfluktuationer, salthaltiga jordar och andra utmaningar i ett förändrat klimat. Det finns till och med bevis för att mikrober bidrar till de finjusterade smakerna av högkvalitativa produkter, ett fenomen som framför allt observeras hos jordgubbar.

"Men vi är bara på toppen av isberget, ” säger Kinkel.

På fältet

Uttalanden som, "Det finns 10 till 6:e svamporganismer i ett gram jord!" och, "Denna bakteriella biofilm har enorma kommunikationsegenskaper!" är brytrumskämt bland mikrobiologer, men vad betyder allt för bönderna? Svaren sträcker sig tillbaka till jordbrukets tusenåriga förflutna, tillbaka till livets gryning på jorden.

Närhelst ett frö gror i naturen eller en gröda planteras av en bonde, det mikrobiella samhället som hjälper den arten att växa och frodas mobiliseras. Kemiska signaler kommer in i jorden via växtens utsöndringar och en symfoni av underjordisk aktivitet börjar. Genetisk information utbyts; de olika mikrobiella aktörerna intar sina positioner på växtens vävnader; ofta, en mikrob koloniserar en annan, tillhandahåller en tjänst som hjälper den första mikroben att hjälpa växten vars rötter den är inbäddad i.

Även om denna komplicerade dans äger rum utan någon som helst input från människor, vi har pysslat med det länge.

Till exempel, processen för kvävefixering i växter av baljväxtfamiljen (som inkluderar bönor, ärtor, jordnötter och många andra växter) är ett av de små bakteriemirakel som gör vår planet beboelig. Alla som någonsin har observerat rötterna av en baljväxt vet att de är täckta av konstiga vita eller rosa utväxter, ungefär lika stor som myror, som verkar vara en infektion av något slag. Otvivelaktigt, Forntida bönder hade en intuitiv förståelse för att dessa vårtiga utskott hade något att göra med baljväxternas märkbara förmåga att förbättra jorden, men det var inte förrän i slutet av 1800-talet som mysteriet började vecklas ut.

Medan Louis Pasteur upptäckte hur man konserverar mjölk och blev känd som mikrobiologins fader, en relativt okänd kollega till honom med en förkärlek för växter gjorde en annan upptäckt, av kanske ännu större historisk betydelse. 1888, Martinus Beijerinck, upptäckte att små bakterier som kallas Rhizobia infekterar baljväxternas rötter, orsakar svullna knölar. Istället för en infektion som försvagar växten, knölarna är växtrikets gödselfabriker, ta isär atmosfäriskt kväve – som växter inte kan använda – och omforma det till en löslig, växtvänlig form.

Rhizobia är nyckelingredienser i jordens grönska och att utnyttja bakterierna för att förbättra markens bördighet har länge varit en av hörnstenarna i ett hållbart jordbruk. Än, moderna mikrobiologer är nu medvetna om mängder av andra lika djupgående växt-mikrob-interaktioner, upptäckter som de tror kommer att få stor inverkan när mänskliga befolkningar fortsätter att sväva på en planet med ändliga resurser.

Att göra översättningen

I hennes labb på universitetet, Kinkel experimenterar med antibiotikabakterier som undertrycker växtpatogener och testar olika markhanteringsstrategier för att se deras effekter på mikrobiella samhällen. I Colombia, mikrobiologer har lärt sig att föröka en svamp som koloniserar kassavaväxter och ökar avkastningen med upp till 20 procent. Dess hyfer – svamparnas små tentakler – sträcker sig långt bortom kassavans rötter för att låsa upp fosfor, kväve och svavel i jorden och sifon tillbaka till sin värd, som en IV av flytande gödningsmedel.

I Colombia, mikrobiologer har lärt sig att föröka en svamp som koloniserar kassavaväxter och ökar avkastningen med upp till 20 procent

Även om mikrobiologer kan tvinga mark att producera extraordinär växttillväxt i sina laboratorier och testområden, Att överföra resultaten till vardagliga jordbruksmetoder är inte en enkel process.

"Kopplingar till bönder är en svag länk, ” Kinkel beklagar, anspelar på en "snake oil-effekt" där bönder har blivit skeptiska till försäljare som köper mikrobiella tillväxtförstärkare som inte når ut på fältet. "Utmaningen med [dessa] ympmedel, " hon säger, "är de kanske inte översätts i alla miljöer."

Även om forskare fortsätter att utveckla lovande nya mikrobiella cocktails, det finns ett ökat fokus på att vägleda bönder att bättre förvalta de populationer som redan finns i deras jord. Kinkel arbetar med ett tillvägagångssätt som hon tror kommer att hjälpa bönder att upprätthålla optimala mikrobiella samhällen genom att se till att de har den mat de behöver – kol – hela tiden. Hon kallar det "slow release carbon", men det är inget bönder kommer att se i leveranskataloger när som helst snart. Kinkel säger att hon har tillgång till resurser för sin akademiska forskning, men saknar en "avsiktlig pipeline för produktutveckling."

Det krävs en global by

De 26 experterna från hela världen som samlades vid ASM-kollokviet avslutade sina diskussioner med ett djärvt mål för framtidens jordbruk:De har utmanat sig själva att åstadkomma en 20-procentig ökning av den globala livsmedelsproduktionen och en 20-procentig minskning av gödningsmedel och bekämpningsmedel använda under de kommande 20 åren.

Med en okuvlig tro på att vetenskapen kommer att göra sitt för att denna dröm ska bli verklighet, forskarna ser till sina företags- och regulatoriska motsvarigheter för att bygga en pipeline av information till bönder. De hoppas att top-down-investeringar i forskning och teknik kommer att mötas direkt med gräsrotsförändringar i jordbrukskulturen – utan alla ormoljaförsäljande jordbruksintressen i mitten. I sista hand, de föreställer sig en framtid där bönder återigen litar på jordens osynliga krafter – istället för gödselboden – för att få svar på sina utmaningar.