方陵生

世界各地的植物科學家一致認為，未來幾十年，全球糧食安全將面臨多重挑戰(zhàn)。科學家雖然沒有時間機器，但他們可以建立起古老農(nóng)作物的種子庫，以及可以模擬未來溫度和二氧化碳水平的溫室。分子生物學和種子庫是未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是人類未來糧食安全的保障。

培育耐干旱和抗熱浪的作物

“我們需要在2050年前將糧食產(chǎn)量提高70%，以確保養(yǎng)活世界上不斷增長的人口?！卑拇罄麃唶⒋髮W轉(zhuǎn)化光合作用研究中心的羅伯特·沙伍德說道。如果一切按計劃進行，羅伯特·沙伍德和他的同事們將培育出能夠應(yīng)對未來干旱和高溫熱浪的作物。

今天，全球人口將近75億，到2050年可能接近100億。農(nóng)業(yè)科學家一直在努力提高小麥和水稻的產(chǎn)量，它們是人類賴以為生的最重要的農(nóng)作物。而現(xiàn)實情況是，農(nóng)作物產(chǎn)量每年都在下降。真正影響農(nóng)作物產(chǎn)量的是極端氣候。在過去10年里，干旱和高溫熱浪的強度和頻率在急劇增加。

隨著人為二氧化碳排放量的增加，這種情況預計只會變得更糟。農(nóng)業(yè)科學家必須培育出能夠應(yīng)對和適應(yīng)極端氣候事件的作物。羅伯特·沙伍德和其他科學家希望通過作物強大的光合作用來實現(xiàn)這一目標。

在光合作用過程中，植物利用陽光將二氧化碳轉(zhuǎn)換為其所需的碳水化合物。一種名為“核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（簡稱RuBisCO）”的酶在這種轉(zhuǎn)化中起著關(guān)鍵作用，羅伯特·沙伍德的大部分時間都在研究RuBisCO在各種植物物種，特別是草類中的不同行為表現(xiàn)。他和他的同事在調(diào)查澳大利亞的本土禾草時發(fā)現(xiàn)了一些有趣的東西。不同的天然草類不僅在RuBisCO酶上存在差異，而且對溫度的反應(yīng)也不同。

羅伯特·沙伍德正與澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）的岡薩羅·埃斯塔維洛博士合作，研究小麥品種是否也表現(xiàn)出這種自然變異性。為了探索這一可能性，他們需要從不同氣候條件的地區(qū)中尋找各種不同的小麥品種，感謝一批有遠見的俄羅斯科學家，使羅伯特·沙伍德和岡薩羅·埃斯塔維洛找到了完美的研究樣本資源。

20世紀20年代初，俄羅斯經(jīng)歷了內(nèi)戰(zhàn)后的饑荒。為了防止可能出現(xiàn)的農(nóng)業(yè)災(zāi)難，一位年輕的俄羅斯植物學家尼古拉·瓦維洛夫在世界各地收集野生小麥和其他糧食作物的種子，他和他的同事共收集了近20萬個標本，建立了世界上最大的種子庫。

二戰(zhàn)期間，種子庫所在地列寧格勒市遭到了德國軍隊的長期圍攻，一些科學家主動留下來保護這些種子。他們寧愿挨餓，也拒絕食用任何種子。最后，有9名科學家守著這批種子餓死了，其中包括尼古拉·瓦維洛夫。如今，尼古拉·瓦維洛夫留下的種子可以用來幫助養(yǎng)活全世界人口。

目前，羅伯特·沙伍德等人正在研究一些小麥品種是如何適應(yīng)其原產(chǎn)地氣候的，他們正在尋找二氧化碳固碳作用和光合作用特性產(chǎn)生自然變異的作物品系。在一個被嚴密監(jiān)測的溫室里，他們正在種植尼古拉·瓦維洛夫留下的來自11個不同原產(chǎn)地的60個小麥品系。早期的培育結(jié)果表明，不同小麥品種的光合作用功能存在差異。羅伯特·沙伍德想知道，這是否是因不同品種RuBisCO性能差異和RuBisCO含量的不同造成的。一個RuBisCO含量低但高效的小麥品種能很好地適應(yīng)高溫環(huán)境，這將使農(nóng)民在減少化肥和水的使用量的同時提高作物產(chǎn)量。

一旦他們對尼古拉·瓦維洛夫留下的種子的生物化學機制有了更好的了解，就可以建立預測模型，確定哪些品種更適合生產(chǎn)高產(chǎn)作物并進行商業(yè)化推廣。他們將在當前氣候條件下進行多季栽培，但最終目標還要對它們進行未來氣候條件下的測試。他們可以用溫室來模擬未來環(huán)境，對增加二氧化碳和提供不同溫度條件下培養(yǎng)的新品種進行測試。

科學家利用新方法來提高作物抗逆性。

在溫室和大田試驗中，經(jīng)過某些表觀遺傳修飾的番茄植株比未經(jīng)修飾的植株生長更多的果實。

提高作物抗逆性有了新途徑

氣候變化使作物生長季節(jié)變得不那么可預測，科學家們挖掘出一種新的方法來提高作物抗逆性，植物表觀遺傳修飾顯示了提高糧食安全的前景?？茖W家利用RNA干擾讓一種叫做MSH1的基因沉默，使基因表達發(fā)生改變，使其能更好地應(yīng)對氣候變化的壓力。

薩莉·麥肯齊的暑假是在大片鮮紅成熟的番茄作物間度過的，這些番茄在她的家鄉(xiāng)——美國加利福尼亞州的炎熱氣候環(huán)境下生長得很好。然而，近年來的高溫熱浪對于番茄的生長來說很不利，因為天氣實在太熱了。

氣候變化正在對加州人的收入和生計構(gòu)成威脅，氣溫上升再加之降水稀少，給該州的農(nóng)業(yè)造成了近30億美元的損失。在世界的其他地區(qū)同樣也是如此?，F(xiàn)在薩莉·麥肯齊正在努力解決這個問題。在農(nóng)作物生產(chǎn)者和科學家們尋找使作物在應(yīng)對氣候挑戰(zhàn)更具韌性途徑的同時，她看到了利用植物的自然能力快速打開和關(guān)閉選擇基因以應(yīng)對壓力的潛力。

傳統(tǒng)植物育種家使用選擇性育種來創(chuàng)造高產(chǎn)品種，但明尼蘇達大學研究玉米的遺傳學家內(nèi)森·斯普林格認為，在提高產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量穩(wěn)定性之間人們往往需要作出一種權(quán)衡。他們可以培育一種非常耐旱的植物，但在沒有干旱的正常年景里，這種培育植物的產(chǎn)量可能只有原先的一半。

薩莉·麥肯齊和內(nèi)森·斯普林格都對植物表觀遺傳機制（激活和停用某種基因的生物過程）在產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量穩(wěn)定性之間的動態(tài)平衡中所起的作用很感興趣。如果能夠提高植物在環(huán)境條件變化時“打開”和“關(guān)閉”這種“基因開關(guān)”的能力，那么就有可能在需要時激活或不需要時關(guān)閉增強耐旱性的“基因”，在提高作物抗旱能力的同時避免對產(chǎn)量造成影響。但問題是，我們?nèi)绾尾拍茏龅絻扇涿滥兀?/p>

科學家的新方法是開發(fā)植物的“壓力記憶”。為培育更具彈性的植物，薩莉·麥肯齊誘使一種植物在壓力下作出反應(yīng)，能主動打開“基因開關(guān)”。她的“訣竅”是利用RNA干擾來沉默一種叫做MSH1的基因，MSH1存在于植物細胞能感知壓力的質(zhì)體中。她和她的同事們研究發(fā)現(xiàn)，抑制母株中的MSH1，表觀遺傳調(diào)控便開始發(fā)揮作用，只要基因表達發(fā)生改變，就能更好地應(yīng)對壓力。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，親本植物的后代很好地繼承了這種“壓力”記憶，生長良好，對佛羅里達的高溫也更有抵抗力。與傳統(tǒng)番茄品種相比，新品種的產(chǎn)量提高了35%。薩莉·麥肯齊認為，這種提高植物適應(yīng)力的方法很有價值。傳統(tǒng)育種方法可能需要10年才能有類似結(jié)果。相較之下，表觀遺傳學方法只需要一年時間就可以了。

抗高溫番茄新品種的成功育種促使薩莉·麥肯齊在其他作物上進行了嘗試，包括大豆、高粱、苜蓿和草莓。但這些嘗試都需要與公司合作，在不同季節(jié)、不同環(huán)境和不同國家對這項技術(shù)進行測試。對此，內(nèi)森·斯普林格擔心，一些種子公司對于表觀遺傳育種可能會猶豫不決，擔心關(guān)閉的基因會突然再次啟動，但在薩莉·麥肯齊已完成的實驗中，表觀遺傳變化在幾代植物中都保持了一致?？紤]到氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，表觀遺傳育種很重要。科學家們必須用盡可能多的作物進行測試，加速進展，取得更多的突破。

研究玉米這一世界上重要糧食作物性狀表觀遺傳調(diào)控的科學家內(nèi)森·斯普林格

種子庫保障未來糧食安全

目前，世界各地的種子庫儲存了許多與糧食安全相關(guān)的作物。隨著氣候變化，保護好當?shù)刈魑锲贩N是提高糧食安全的關(guān)鍵。“未來作物”組織正在與馬來西亞土著人合作，保護傳統(tǒng)品種的水稻、小米和其他未充分利用的作物。世界各地的種子庫正在通過保存?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)作物的種子來應(yīng)對氣候變化帶來的多重挑戰(zhàn)。

在危地馬拉中部高地地區(qū)，當?shù)胤钦r(nóng)業(yè)發(fā)展組織協(xié)調(diào)員羅莎莉亞·阿西格·喬奧帶領(lǐng)一小群游客進入一個種子室，室內(nèi)從地面到天花板擺滿了陶制圓筒，內(nèi)裝有包括玉米、莧菜等來自該地區(qū)土著家庭的種子。這些在長達數(shù)十年的危地馬拉內(nèi)戰(zhàn)中幾乎消失的農(nóng)作物種子都保存在這里。

斯瓦爾巴全球種子庫是全球最大的種子庫，它位于北冰洋的斯瓦爾巴群島上，用于保存全世界的農(nóng)作物種子。該種子庫由挪威政府出資興建，多個國際基因和生物組織參與合作，是為了在大規(guī)模的區(qū)域性或全球性危機出現(xiàn)期間防止某些種子基因的遺失，以及保存和備份種子的樣本而建的，因此斯瓦爾巴全球種子庫也被稱為“末日種子庫”或“末日地窖”。在這個“末日種子庫”里保存有近100萬個種子樣本，被視為農(nóng)作物的備份副本，因為這些作物在未來保不定會因自然或人為因素而消失。

來自傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)品種的種子被稱為“地方品種”或“祖?zhèn)髌贩N”，它們可以提高糧食系統(tǒng)應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)的能力。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計，20世紀由于農(nóng)民采用了遺傳多樣性相對較小的高產(chǎn)品種，世界上約3/4的作物遺傳多樣性已經(jīng)喪失，現(xiàn)在我們從食物中獲得能量的約95%只來自大約30種糧食作物。

世界各地的土著社區(qū)一直是保護和重新引進傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)品種的先驅(qū)?，F(xiàn)在這個危地馬拉非政府農(nóng)業(yè)發(fā)展組織有500名成員（其中80%是婦女）活躍在各土著群體中，其目的是幫助農(nóng)民在保存本土種子的同時，更好地掌握傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生態(tài)耕作方法。

土著人保護種子的努力不限于危地馬拉。2020年2月，印第安民族切羅基成為美國將傳統(tǒng)種子存放在斯瓦爾巴全球種子庫中的第一個土著民族。切羅基民族環(huán)境資源組織高級主管帕特·格溫介紹道，自2005年以來，切羅基部落一直致力于尋找和種植19世紀30年代切羅基人被迫從美國東南部遷往俄克拉荷馬州期間損失的農(nóng)作物品種。切羅基國家種子庫現(xiàn)在保存了100多種不同種類的農(nóng)作物種子。2019年，他們向美國各地的種植者分發(fā)了近1萬包種子。

“地球母親”種子庫的陶器罐里裝著來自危地馬拉下維拉帕斯地區(qū)土著家庭的種子，包括祖?zhèn)鞯挠衩?、莧菜和豆類。

哥倫比亞科學家阿爾瓦雷斯認為，世界各地的種子庫保存了許多與糧食安全相關(guān)的作物，一些傳統(tǒng)品種比其他品種更有營養(yǎng)。危地馬拉的阿西格·喬奧也強調(diào)營養(yǎng)是一種優(yōu)勢，當?shù)胤N子庫里的種子品種來自危地馬拉北部的瑪雅阿奇人地區(qū)，這種祖?zhèn)鞣N子的營養(yǎng)特性可以防止兒童和整個家庭的營養(yǎng)不良。

隨著氣候變化，當?shù)刈魑锲贩N又成了提高糧食安全的關(guān)鍵，因為大多數(shù)傳統(tǒng)作物都是在當?shù)乇获Z化的本土作物。例如，一種傳統(tǒng)的高粱地方品種通過參與式的植物育種被重新發(fā)現(xiàn)其特性有助于作物應(yīng)對不斷變化的氣候環(huán)境。這些小小的種子是人類未來的希望，將在很大程度上改變我們的世界。