野生作物助力全球營養(yǎng)安全

陳軼翔/編譯

野生作物助力全球營養(yǎng)安全

陳軼翔/編譯

各種顏色及形狀大小不一的番茄；一些野生品種具有的特性或可促進經(jīng)濟品種的多樣化發(fā)展

● 通過利用野生作物種系，科學(xué)家使得主要作物品種和全球糧食系統(tǒng)正在經(jīng)歷一場基因轉(zhuǎn)變。

世界上有超過5萬種可食用的植物。但據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）估計，全世界90%的能量需求僅僅依靠15種作物滿足，我們攝取的2/3左右的熱量都是由3種作物提供的：水稻、玉米和小麥。

這種對于少數(shù)作物的依賴令人擔(dān)憂。通過對一些主要糧食作物一代又一代的培育，我們不經(jīng)意間失去了它們最具價值的一些屬性。例如，現(xiàn)代作物對氣候條件的變化極為敏感并且深受害蟲的影響。蟲害可以縮減主要作物（如玉米、水稻及馬鈴薯）30%~40%的全球產(chǎn)量，還使得人們不得不求助于效力不斷加強的農(nóng)藥。

我們種植的農(nóng)作物的營養(yǎng)含量也在不斷下降。現(xiàn)已退休的唐納德·戴維斯（Donald Davis）說：“為高產(chǎn)而進行的育種及強化栽培容易降低營養(yǎng)物質(zhì)的含量?！?004年，他與堪薩斯州威奇托的生物通信研究所的同事一道研究記錄了過去50年數(shù)十種水果蔬菜營養(yǎng)含量的下降狀況。戴維斯解釋說，與過去相比，現(xiàn)代的農(nóng)作物可產(chǎn)出更多的谷物或水果，但可食用的產(chǎn)品卻無法吸收或合成相應(yīng)數(shù)量的營養(yǎng)物質(zhì)。例如，自1950年至今，花椰菜中的鐵元素含量降低了32%，而鋅元素含量則降低了37%。戴維斯說：“較大棵的花椰菜意味著較低的礦物質(zhì)含量，因而我通常挑選購買那些最小棵的花椰菜?！?/p>

未來幾十年的糧食需求將進一步增加。為解決營養(yǎng)質(zhì)量問題，科學(xué)家正在向大自然尋求幫助。在適應(yīng)不斷變化的極端環(huán)境數(shù)百萬年后，那些與現(xiàn)代主要作物有各種親緣關(guān)系的野生品種造就了豐富的遺傳多樣性。這些野生植物就像是一座擁有各種寶貴特性的龐大圖書館，有望提升現(xiàn)代作物的質(zhì)量和抗逆性。在全球范圍內(nèi)，研究者正試著通過雜交將這些特性賦予馴化作物。德國波恩的一家非營利性組織“農(nóng)作物信托基金會”的作物學(xué)家諾拉·阿爾瓦雷斯說：“作物育種計劃能從這種遺傳多樣性中獲益，更加有效地利用自然資源，培育新的營養(yǎng)豐富的農(nóng)作物品種，使其能夠應(yīng)對嚴(yán)酷的環(huán)境條件和破壞性的害蟲與疾病。”但如果要充分發(fā)揮作物育種計劃的潛力，科學(xué)家需要保護瀕臨滅絕的野生品種并探究它們的基因遺傳秘密。

提高農(nóng)作物的抗逆性

在世界大部分地區(qū)，番茄都是一種主要作物。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，番茄是僅次于馬鈴薯和木薯的第3種最廣泛種植的蔬菜作物；2014年，全球番茄產(chǎn)量約1.7億噸，包含大約7 500個番茄品種，但仍有提高的空間。野生番茄生長于各種不同的棲息地，不受害蟲和土壤質(zhì)量的影響，研究人員正在探究這些特性能否轉(zhuǎn)移到經(jīng)濟作物上，以提高其抗逆性。

能夠天然地抵抗蟲害的經(jīng)濟番茄將具有重大價值。在中國臺灣臺南的世界蔬菜中心，作物遺傳學(xué)家彼得·漢森（Peter Hanson）和穆罕默德·拉哈（Mohamed Rakha）正利用在加拉帕戈斯群島上發(fā)現(xiàn)的野生番茄品種——醋栗番茄、加拉帕戈斯番茄和契斯曼尼番茄培育能夠抵抗多種病蟲害的番茄新品種。

這些野生番茄之所以可以抵抗病蟲害，是由于被稱為腺毛狀體的小型毛狀結(jié)構(gòu)覆蓋了葉子和莖。漢森說：“這些腺毛狀體產(chǎn)生的?；呛推渌衔飳Ω鞣N各樣的害蟲都具有排斥或毒性作用?！?/p>

要將這種抗蟲害腺毛狀體的特性賦予經(jīng)濟番茄，需要與野生品種進行“回交轉(zhuǎn)育”。漢森利用的是一種被稱為CLN3682C的優(yōu)良番茄種系（一批具有某些特性的純種），該種系已經(jīng)可以抵抗細菌性枯萎病、番茄黃化曲葉、根結(jié)線蟲和鐮孢枯萎。

漢森解釋道，雜交的作物經(jīng)過篩選，可鑒別出那些具有野生品種特性以及優(yōu)良種系特性的作物。如果對野生品種的抗蟲害特性進行基因測序，加速的只是挑選過程，而非監(jiān)測基因表達，研究人員只能夠?qū)ふ一蚧虻任换虻拇嬖?，這就是“標(biāo)記輔助選擇”。

被挑選出來的作物之后會互相雜交，雜交出的下一代會與優(yōu)良種系再進行雜交，以此增加作物攜帶每一種理想特質(zhì)的可能性。漢森說：“抗蟲害品種還必須能夠產(chǎn)出高質(zhì)量、高產(chǎn)量的果實?！?/p>

這個過程對每個野生品種都要重復(fù)進行，因而需要時間。漢森說：“每一次雜交和選擇都要花費將近1年的時間?！彼烙?，大約要花5年的時間才能培育出具有抗蟲害特性的經(jīng)濟番茄品種。

2016年，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)的植物生物學(xué)家馬克·特斯特（Mark Tester）與博士生伊夫利納·帕耶（Yveline Pailles）研究發(fā)現(xiàn)，加拉帕戈斯番茄和契斯曼尼番茄在高鹽化土壤中也能茁壯生長。現(xiàn)在的目標(biāo)就是培育出具有此種特性的經(jīng)濟番茄種系。

特斯特說：“到目前為止，番茄是世界上種植最為廣泛的園藝作物，它們的生長需要大量的水?！苯?jīng)濟番茄的種植需要淡水，而淡水是一種日益有限的資源?！澳壳拔词褂玫闹饕Y源是微咸水。這正是我研究的動力?！碧厮固毓烙?，新型耐鹽番茄種系將在未來幾年內(nèi)培育成功。

提高營養(yǎng)物質(zhì)含量

研究人員也在努力提高番茄的營養(yǎng)物質(zhì)含量。2003年，漢森及同事們在臺灣發(fā)布了培育的兩個番茄品種，其維生素A的含量比普通番茄多6倍。漢森解釋道，該品種富余的維生素A及其橙色外表，來自于一種叫作貝塔（Beta）的基因，該基因于1950年被發(fā)現(xiàn)存在于野生品種多毛番茄中。

漢森說：“我們希望我們培育的富含β-胡蘿卜素的櫻桃番茄品種能夠推廣到宅園中，尤其是在孟加拉這樣的國家，該國民眾嚴(yán)重缺乏維生素A，尤其是兒童?！比欢?，該品種發(fā)布后最初的10年間，需求一直疲軟。漢斯把原因歸結(jié)于很難說服人們相信橙色番茄同他們熟悉的紅色番茄一樣優(yōu)質(zhì)美味。他說：“關(guān)鍵因素是創(chuàng)造消費需求。”但是資源的匱乏阻礙了他培育的番茄的推廣。

在美國科瓦利斯的俄勒岡州立大學(xué)，蔬菜育種學(xué)家和遺傳學(xué)家吉姆·邁爾斯（Jim Myers）也培育出了更有營養(yǎng)的番茄。他培育出了富含抗氧化劑花青素的紫色番茄。番茄育種家一直試著從各種野生品種中（包括類番茄、秘魯番茄、智利番茄、契斯曼尼番茄）培育出一種富含花青素的品種，但半個世紀(jì)以來收效甚微。曾于20世紀(jì)50年代培育出的品種“紫色斑點”僅能微弱地表達產(chǎn)生花青素的基因。

邁爾斯和他的團隊將智利番茄和契斯曼尼番茄進行雜交。邁爾斯說：“如果將這兩個野生品種的基因結(jié)合起來，那么在色素表達方面就會獲得顯著提高——培育出像茄子一樣黑的番茄?！边@就是“靛藍玫瑰”，每100克新鮮水果中包含10~30毫克的花青素，而普通番茄中是完全不含花青素的。

在美國，市場上能夠買到的“靛藍玫瑰”栽培品系有20多種，其中大部分都源自于邁爾斯培育的種系。

將野生品種的特性引入培育的經(jīng)濟作物中是一個漫長的過程。為了加快進程，可以對被忽視的作物全部加以利用或者可以對經(jīng)濟作物進行基因改良（即轉(zhuǎn)基因）。“靛藍玫瑰”番茄不屬于轉(zhuǎn)基因，因為邁爾斯僅使用了傳統(tǒng)育種技術(shù)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)使得研究人員能夠?qū)⒁吧贩N的基因直接植入作物中，大大提高了新品種的栽培速度?；蛞部梢栽醋圆煌纳矬w，如細菌。阿姆斯特丹大學(xué)的植物遺傳學(xué)家弗朗西斯卡·夸特羅基奧（Francesca Quattrocchio）說：“從這個角度看，將新特性引入培育作物的可能性在原則上是無限的?！?/p>

然而，盡管轉(zhuǎn)基因作物在澳大利亞、美國及南美大部分地區(qū)都已被接受，在其他地方仍有不少人持反對意見。在歐洲和非洲的很多國家，轉(zhuǎn)基因作物要么是禁止的，要么必須通過一個嚴(yán)格的授權(quán)過程。在此過程中遇到的種種阻礙以及對轉(zhuǎn)基因使用者的限制使得通過轉(zhuǎn)基因來培育新品種所節(jié)省的時間變得毫無意義。

穩(wěn)贏的賭局

然而，野生近緣種系中寶貴的遺傳多樣性處境堪憂。超過70%的野生近緣品種已被確認(rèn)處于亟須保護的狀態(tài)?？傮w上，全球大約20%的植物物種瀕臨滅絕。

阿爾瓦雷斯認(rèn)為，農(nóng)業(yè)向自然生態(tài)系統(tǒng)的擴張是導(dǎo)致上述問題的主要原因之一。熱帶地區(qū)植物物種的瀕危程度是溫帶地區(qū)的兩倍?？偛课挥谝獯罄膰H慢食協(xié)會致力于維護全球各個區(qū)域的傳統(tǒng)飲食文化，該機構(gòu)副主席伊迪·穆基比（Edie Mukiibi）說：“這些植物和動物物種能夠存活和發(fā)展，原因在于它們很好地適應(yīng)了一定的土壤環(huán)境。我們一定要保護生物多樣性，因為它代表的是幾千年來農(nóng)業(yè)發(fā)展的精華?！?/p>

位于利馬的國際馬鈴薯中心通過成立秘魯土著文化中心網(wǎng)絡(luò)，力圖就地保護馬鈴薯品種。該中心的植物遺傳學(xué)家塞韋林·波爾賴希（Severin Pohlreich）透露，該信息網(wǎng)絡(luò)記錄了秘魯、玻利維亞和智利這3個國家里擁有豐富多樣性的馬鈴薯各品種的位置。他說：“這個網(wǎng)絡(luò)將有助于支持當(dāng)?shù)貙θ蜃畲蟮鸟R鈴薯基因庫的監(jiān)測與保護，而這個基因庫就在多樣性中心?！?/p>

其他計劃項目則重點關(guān)注在自然棲息地之外對野生物種的保護。在世界各地，大約有1 750個基因庫以及植物園，擁有超過740萬種子或者來自成千上萬物種的植物組織。這些樣本有近90%都保存在國家基因銀行里。例如，遺傳資源中心（CGN，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的一部分）擁有目前世界上最大的且種類最為繁多的萵苣屬植物收藏。

為防止這些基因銀行中種子的丟失，斯瓦爾巴全球種子庫進行了備份。該種子庫位于挪威斯瓦爾巴群島上一座砂巖山的深處，可容納25億顆種子；目前存儲著超過88萬個樣本，其中包括全球的主要糧食作物。存儲的種子僅供緊急情況下提取使用——重大災(zāi)難或是未來生物多樣性的逐步喪失。阿爾瓦雷斯解釋說：“每個基因銀行將自己收集的種子進行備份，并寄送給斯瓦爾巴全球種子庫。像你、我這樣的外部用戶無法向種子庫申請種子的提取，只有相應(yīng)的基因銀行在緊急情況下才能提出申請。”迄今為止，唯一的一次種子備份提取申請是由國際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心（ICARDA）于2015年提出的。由于遭到戰(zhàn)亂的破壞，該中心將其基因銀行從敘利亞的阿勒頗遷至黎巴嫩及摩洛哥并進行重建。2017年2月，ICARDA又將15 000多顆種子的備份寄還給了斯瓦爾巴全球種子庫。

負(fù)責(zé)斯瓦爾巴全球種子庫的“農(nóng)作物信托基金會”認(rèn)為，對作物多樣性的保護是實現(xiàn)全球糧食及營養(yǎng)安全的一個至關(guān)重要的手段。該基金會與英國皇家植物園，還有世界各地的很多作物育種家和研究者一起主導(dǎo)了一項耗資5 000萬美元的針對農(nóng)作物的野生近緣植物的研究計劃。這項為期10年的計劃發(fā)起于2011年，由挪威政府資助?！稗r(nóng)作物信托基金會”的全球計劃負(fù)責(zé)人漢內(nèi)斯·登佩沃爾夫（Hannes Dempewolf）透露，該計劃的目的是收集并保存29種主要作物的450多個野生近緣種系。從長遠看，該計劃旨在培育新一代的優(yōu)良作物，使其具備一個或多個野生近緣種系的理想特性。在預(yù)育種項目計劃中，基因特質(zhì)將會被分離并引入到育成品系中，這些育成品系相比于野生作物更易與經(jīng)濟品種進行雜交。這種預(yù)育種項目已為19種野生近緣種系而制定，包括茄子和水稻。

無論是用來培育新的作物，還是更好地利用原來被忽視的作物，野生近緣種系的農(nóng)作物看上去都是糧食危機問題的答案之一?？涮亓_基奧說：“至少在轉(zhuǎn)基因作物獲得更廣泛的認(rèn)可之前，野生品種的遺傳多樣性是目前最好的解決方案?！睂Υ?，阿爾瓦雷斯表示贊同：“農(nóng)作物的野生近緣種系可以幫助我們繼續(xù)生產(chǎn)更為可持續(xù)的糧食，以滿足全世界對糧食的數(shù)量和質(zhì)量需求。但首先，我們需要保護它們并確保它們的可用性。”

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：朝 云]