幫農(nóng)作物到野外尋親

◎沈川

“讓農(nóng)業(yè)適應氣候變化”

能抗鹽堿和多種疾病的土豆新品種

人類的農(nóng)業(yè)耕種史可以追溯到距今一萬年前，馴化成功的農(nóng)作物為我們提供了豐富的食材和充足的營養(yǎng)?？墒牵r(nóng)作物基因多樣性呈下降趨勢，抗蟲、抗病、抗災能力變?nèi)?，卻讓人擔憂；與此同時，大量的農(nóng)作物野生親本（crop wild relatives）尚未進入人類現(xiàn)有的種子基因庫加以合理保存，隨著棲息地環(huán)境的日益惡化，這些寶貴的自然資源，有的已經(jīng)大量減少，有的甚至瀕臨滅絕。

自2013年開始，全球作物多樣性信托基金（The Crop Trust，以下簡稱“作物基金”）聯(lián)手英國皇家植物園千年種子庫以及全球25個國家的合作伙伴，開始了探尋、收集、保存28種重要農(nóng)作物的野生親本工作。由挪威政府出資資助的這項為期10年、名為“讓農(nóng)業(yè)適應氣候變化”的計劃（“Adapting Agriculture to Climate Change.”the CWR Project，以下簡稱“CWR 計劃”），其前6年（2013至2018年）的收集階段已經(jīng)告一段落。

除了精心準備有時還需一點點運氣

采集者們總共花了2973天在野外跋涉找尋，如果換成一個人的話，相當于8年多的時間每天都手拿特制的種子采集袋，目光盯著地上不停搜尋。他們共找到了371種不同“種”和“亞種”作物的4644份樣本，超出了計劃之初設定的4000份樣本的目標。

正如作物基金資深科學家漢斯·登佩沃爾弗（Hannes Dempewolf）所說，“采集種子的時間必須剛剛好。”如果時間早了種子還沒成熟，而晚了也許就被風吹跑了，所以采集團隊必須提前做好采集計劃，并根據(jù)實際情況隨時進行調(diào)整。除了要有充分的準備和艱苦的勞動，有時候運氣也很重要。意大利帕維亞大學的尼古拉·阿爾登吉就是在乘火車時偶然發(fā)現(xiàn)車窗外塊莖香豌豆那標志性的紅色花朵的——他的團隊此前幾乎已經(jīng)對找到這個品種不抱任何希望。雖然他當時沒立刻跳下車，不過也差不多了。

在植物分類學上，“種”（species）是較“屬”（genus）低一級的分類，比如茄子和馬鈴薯（土豆）屬于不同的“種”，卻同屬于茄科屬植物。同一農(nóng)作物的野生親本也許各有千秋，但都歸于一個基因池（genepool），這種近親關系讓它們之間的基因性狀有可能進行交換，這就意味著，經(jīng)過雜交可能從中選育出更優(yōu)良的農(nóng)作物。CWR計劃的28個目標農(nóng)作物均在“糧食和農(nóng)業(yè)植物遺傳資源國際條約”（簡稱“植物條約”）附件1中出現(xiàn)，對人類糧食安全具有十分重要的意義。

秘魯采集填補空白轟動“土豆圈”的盛事

馬鈴薯是僅次于玉米、小麥和水稻的世界第四大糧食作物，可是現(xiàn)代馬鈴薯的基因多樣性十分有限，而且很多品種都容易受到疾病侵擾。此外，馬鈴薯的塊莖在夜間氣溫過高時無法長成，所以近年來不少馬鈴薯種植者不得不轉(zhuǎn)移到海拔更高、氣溫更低的山區(qū)。而馬鈴薯的一些野外親本則能夠抵抗寒冬和干燥炎熱的夏天，從低地到海拔4500米的地方都能快樂生長。然而至今為止，僅有數(shù)量極少的野生馬鈴薯被納入育種計劃，其潛在的基因多樣性優(yōu)勢尚未被充分發(fā)掘。據(jù)CWR生物多樣性優(yōu)先保護領銜學者諾拉·卡斯塔涅達·阿爾瓦雷斯稱，半數(shù)以上的野生馬鈴薯都亟待加以采集保護，因為在世界各地的基因庫里，它們的樣本十分稀缺，有些品種甚至尚屬空白。

一種野生龍爪稷，營養(yǎng)豐富且抗旱能力強。

對野生小麥進行前育種實驗

技術(shù)人員在對一種野生豌豆進行育種實驗

科研人員涉水尋找種子

馬鈴薯的鼻祖來自美洲安第斯山脈，早在7000多年前，當?shù)氐脑∶窬烷_始優(yōu)選塊莖加以繁育，最終馬鈴薯傳播到了歐洲，并征服了世界大多數(shù)地區(qū)。然而，在安第斯山的農(nóng)民開始馴化馬鈴薯之前，其野生親本早就傳遍了美洲大陸，至少已知有150多種野生馬鈴薯分布在從美國得克薩斯州到南美洲最南端的火地島的廣大地區(qū)，其中有80多種分布于秘魯。

在秘魯從事野生馬鈴薯采集工作的人員，分別來自秘魯國家農(nóng)業(yè)創(chuàng)新研究院和國際馬鈴薯中心，后者的總部也位于秘魯。在兩年時間里，該團隊進行了141天的野外作業(yè)。2017年在秘魯中北部地區(qū)采集時，他們碰到了因厄爾尼諾現(xiàn)象引發(fā)的暴雨、山體滑坡和道路中斷，而后來在濱海區(qū)域則遭遇了相反的情況：由于雨水缺乏，他們所要尋找的野生品種沒有完全發(fā)育成熟，為此他們不得不迅速調(diào)整計劃輾轉(zhuǎn)到其他地區(qū)。次年的情況好了很多，完成了所有的預定目標。最終，他們成功采集了37個不同品種的322個野生馬鈴薯樣本。

其中之一在其原產(chǎn)地已被列為極度瀕危，在國際馬鈴薯中心的基因庫里僅存一份樣本，全世界的馬鈴薯研究者都熱盼能找到更多的樣本并加以保存。此次秘魯團隊實現(xiàn)了這個愿望：終于又采集到了一份樣本。更加讓人欣喜的是，另兩個新采集到的品種此前在全世界都無先例。年過七旬的秘魯農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學家阿爾貝托·薩拉斯親自參加采集工作，在他看來，這兩個新品種的發(fā)現(xiàn)無疑是轟動“土豆圈”的一大盛事。

農(nóng)作物的野生親戚沒國界

在巴西發(fā)現(xiàn)的野生水稻與在巴基斯坦發(fā)現(xiàn)的不會相同，與在越南或尼泊爾找到的也可能大相徑庭，雖然它們其實都屬于同一個大家族。正如 CWR的項目協(xié)調(diào)人克里斯·庫克爾所說，“沒有哪個單一的國家或者地區(qū)具有我們所需的全部多樣性”，種子采集地遍布世界各地，正是因為這些地域各異的品種能夠互為補充。水稻、甜薯和茄子就是佳證。

水稻：

人工種植的水稻多為兩種：世界各地廣泛栽種的亞洲水稻（Oryza sativa）和主要集中在西非的非洲水稻（Oryza glaberrima）。

巴西、哥斯達黎加和厄瓜多爾的團隊在美洲的熱帶區(qū)域找到了一種野生水稻，這種植株高大的多年生品種讓科研人員喜出望外，因為它的產(chǎn)量很高，而且還抗洪澇。他們還幸運地發(fā)現(xiàn)了另一種能夠抵御天牛的多年生西非野生水稻，要知道，天牛往往會把其他品種的水稻啃個精光。在巴基斯坦最大的發(fā)現(xiàn)之一是一種亞洲野生水稻，它具有很高的抗鹽堿性。尼泊爾團隊發(fā)現(xiàn)的野生亞洲水稻能抗枯萎病，這是水稻種植中最讓人頭痛的一種嚴重疾病。

沒錯，它們都是“茄子”。

采集地包括：巴西、哥斯達黎加、厄瓜多爾、加納、肯尼亞、馬來西亞、尼泊爾、尼日利亞、巴基斯坦、蘇丹、烏干達、越南。

甜薯：

在肯尼亞、埃塞俄比亞、馬來西亞、巴基斯坦和尼泊爾，人們發(fā)現(xiàn)了一種野生甜薯，它具備抗鹽堿性和抗蟲等特點，其棲息地廣布于從海平面到海拔2000米的幾乎所有區(qū)域。在厄瓜多爾、危地馬拉和巴西，還發(fā)現(xiàn)了抗高溫和抗大降雨量的野生品種。

不過，有兩種野生甜薯卻是巴西所獨有的：一種能抗旱、抗大降雨量并在沙質(zhì)土壤生長，另一種既能在沙地和黏土里生長，又能抗低溫和適應多變氣溫。

采集地包括：巴西、厄瓜多爾、埃塞俄比亞、加納、危地馬拉、肯尼亞、馬來西亞、尼泊爾、尼日利亞、巴基斯坦、越南。

茄子：

根據(jù)針對茄子種群保護現(xiàn)狀的全球性分析，95%以上的野生茄子迫切需要收集保存。在厄瓜多爾和危地馬拉，以及遠隔萬里的尼泊爾，人們找到了一個以具備多種生物抗逆性而聞名的野生品種，它可以抗細菌和真菌枯萎病、抗線蟲病等。

肯尼亞的團隊尤其幸運，他們發(fā)現(xiàn)了四種從未納入現(xiàn)在所有的基因庫里加以保存的野生茄子。它們有的來自海邊的灌木叢和沙丘，有的來自開闊的草原，還有的隱藏于森林之中，對于它們的基因性狀人們還知之甚少，此次發(fā)現(xiàn)有助于揭開其神秘的面紗。

采集地包括：厄瓜多爾、埃塞俄比亞、加納、危地馬拉、肯尼亞、馬來西亞、尼泊爾、尼日利亞、巴基斯坦、蘇丹、烏干達、越南。

跨越多國的農(nóng)作物尋親與時間和猴子賽跑

除了小麥、玉米和水稻等為人類提供大部分能量的主糧作物之外，還有很多其他可供食用的植物，在該計劃中也被列為“尋親”的對象。

香蕉和芭蕉：

科研人員在巴布亞新幾內(nèi)亞海拔1400米的地區(qū)找到了極其罕見的世界上最高大的香蕉 攝影 / David Eyland

西班牙的野生小扁豆試驗田

香蕉最早馴化于公元前5000年至8000年的東南亞，隨后在世界各地廣泛種植。印度一國的香蕉產(chǎn)量就占了全球的四分之一，而盧旺達和烏干達的年人均香蕉消費量超過了200千克。在熱帶地區(qū)，香蕉甚至被人們當作主食。全球消耗的香蕉每年超過1000億根，其中，接近一半是黃色的卡文迪什香蕉，也是超市里最常見的品種?？墒?，如果走進厄瓜多爾、巴布亞新幾內(nèi)亞或者喀麥隆的村頭集市，就會發(fā)現(xiàn)另一種完全不同的畫風：這兒的香蕉不僅有紫色的、橙色的、微型的、短粗的，而且味道各異。事實上，世界上的野生香蕉品種可能過千。

今天人們食用的香蕉種類其基因來源十分狹窄，一次疾病爆發(fā)就可能讓全世界的種植戶顆粒無收，20世紀40年代發(fā)生的香蕉巴拿馬病就是最好的例子。而香蕉的野生親本則可能具備馴化品種缺乏的基因多樣性。尋找野生香蕉的人們不光是在和時間賽跑，也是在同猴子這些靈長類動物比速度——它們常常在人們趕去采摘之前就把果實吃掉了。受森林砍伐和快速城市化的影響，過去在東南亞的路邊司空見慣的野生品種，如今常常只能在密林深處才能覓見。

采集地包括：肯尼亞、馬來西亞、尼泊爾、越南。

采集成果包括9個不同種的131個樣本。

班巴拉花生：

這種作物能耐受高溫和干旱，可以固氮，在貧瘠的土壤里也能長得很好，其種植者主要是西非農(nóng)民。它被譽為“完全食物”（complete food），意味著其具有很高的營養(yǎng)價值，但相應的科學關注和研究尚處于起步階段。目前的所有基因庫里還找不到它的野生親本，因此被列為高度優(yōu)先尋找的對象。

采集地在尼日利亞。采集成果包括17個樣本。

大麥：

野生大麥常見于溫帶地區(qū)，很多都具有不同的抗逆“本領”，比如，有兩種品種長在鹽堿地里都沒問題，不過有的在現(xiàn)有的基因庫里卻保存甚少。雖然在高加索的草原上這些品種并不少見，但亞美尼亞的收集者卻花了不少功夫，原因是當?shù)氐霓r(nóng)民會在其種子適合采集之前就收割了。

采集地包括亞美尼亞、阿塞拜疆、智利、塞浦路斯、西班牙、格魯吉亞、危地馬拉、意大利、巴基斯坦、葡萄牙。采集成果包括21個不同種的347個樣本。

菜豆：

跟“本尊”一樣，菜豆野生親本的顏色和形狀也千奇百怪。盡管人類已經(jīng)通過育種優(yōu)化，在提高其產(chǎn)量和營養(yǎng)價值方面取得巨大成功，可是其野生親本的抗性卻極少有人關注，這一狀況也許會因采集計劃而發(fā)生改觀。比如在哥斯達黎加首次發(fā)現(xiàn)并采集到的一個品種，這種長在巖石上的菜豆野生親本，雖然植株小巧，卻由于生長地點緊鄰海灘，抗鹽堿的能力大概率不會差。

實驗室里擺放的野生香蕉樣本，等待進一步處理。

野外作業(yè)十分艱苦，科研人員歷盡千辛萬苦，只為尋找稀缺的種子。

野生馬鈴薯具有很多抗病優(yōu)勢

英國千年種子庫里保存的種子樣本

科研人員在肯尼亞開展育種實驗

采集地包括哥斯達黎加、厄瓜多爾、薩爾瓦多、危地馬拉。采集成果包括12個不同種的102個樣本。

“牧草皇后”野生育種曙光初現(xiàn)

采集到的種子將分成三份，其中一份由采集地所在國的基因庫保存，一份交由千年種子基因庫進行長期保存，第三份則提交給國際種子基因庫，保存條件一般是在零度以下真空保存。根據(jù)植物條約的規(guī)定，48個國家的100多個機構(gòu)可以對這第三份種子樣本加以合理利用，對19種關鍵作物和牧草進行種質(zhì)改良。目前，一向有著“牧草皇后”美譽的苜蓿在育種改良方面已經(jīng)見到成功的曙光。

苜蓿產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富，在80多個國家人們都用它來飼養(yǎng)牲畜，而對于生活在土壤貧瘠地區(qū)的農(nóng)民來說，這種牧草顯得尤為重要。9個國家的采集團隊將野生苜蓿列為尋找目標，共采集了20種野生品種的356份樣本。采集者手頭掌握的野生苜蓿資料信息非常少，而在格魯吉亞，由于當?shù)匕l(fā)展旅游業(yè)，黑海邊往日的原始海灘不復存在，那些曾經(jīng)在該地繁盛一時的野苜蓿品種幾乎瀕臨滅絕。

2013年，意大利帕維亞大學向千年種子基因庫提交了首批野生苜蓿樣本之后，根據(jù)植物條約，南澳大利亞發(fā)展研究院立刻開始了“前育種”（pre-breeding）試驗。野生品種很“狂野”，往往還帶有一些不太好的性狀基因，需要經(jīng)過“前育種”階段將那些人們需要的優(yōu)良基因確定之后分離出來，才能進行真正的雜交實驗。

2018年，第一階段的前育種順利結(jié)束，于澳大利亞、智利、中國和哈薩克斯坦等地開始抗逆性田間試驗，有些成果已經(jīng)超出人們的預期：它們能耐受從零下38攝氏度到零上35攝氏度的氣溫，且產(chǎn)量始終保持豐碩。下一步的計劃是開發(fā)性狀更優(yōu)良的品系，然后將這些種質(zhì)資源分配給世界各地的農(nóng)民和育種工作者，再對不同自然環(huán)境下，包括小規(guī)模種植時的苜蓿生長狀態(tài)做進一步評估。

目前，作物基金正在重新對基因庫現(xiàn)有的樣本存量進行缺口分析，除了28種被列為首批搜尋對象的作物之外，還有不少重要的品種需要“拯救”。就拿木薯來說，其現(xiàn)代品種是否適應環(huán)境的變化？在現(xiàn)有的基因庫里其野生親本是否有足夠多的樣本“存貨”？它的那些失落在人類視線里的野生“親戚”，在自然界的生存狀態(tài)是否危機重重？顯而易見，全球大拯救仍需繼續(xù)。

科研人員用來收集種子的標志性藍色大桶

在摩洛哥開展的野生大麥育種實驗

科研人員在黑海邊尋找瀕臨滅絕的野生苜蓿