農(nóng)業(yè)如何應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)

方陵生

世界各地的植物科學(xué)家一致認(rèn)為，未來(lái)幾十年，全球糧食安全將面臨多重挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家雖然沒(méi)有時(shí)間機(jī)器，但他們可以建立起古老農(nóng)作物的種子庫(kù)，以及可以模擬未來(lái)溫度和二氧化碳水平的溫室。分子生物學(xué)和種子庫(kù)是未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是人類未來(lái)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(zhǎng)的人口。”澳大利亞國(guó)立大學(xué)轉(zhuǎn)化光合作用研究中心的羅伯特·沙伍德說(shuō)道。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，羅伯特·沙伍德和他的同事們將培育出能夠應(yīng)對(duì)未來(lái)干旱和高溫?zé)崂说淖魑铩?/p>

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(xué)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(shí)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(guò)去10年里，干旱和高溫?zé)崂说膹?qiáng)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(yù)計(jì)只會(huì)變得更糟。農(nóng)業(yè)科學(xué)家必須培育出能夠應(yīng)對(duì)和適應(yīng)極端氣候事件的作物。羅伯特·沙伍德和其他科學(xué)家希望通過(guò)作物強(qiáng)大的光合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

在光合作用過(guò)程中，植物利用陽(yáng)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(jiǎn)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(shí)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(shí)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(duì)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(xué)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(yuǎn)見(jiàn)的俄羅斯科學(xué)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(jì)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(xué)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(wàn)個(gè)標(biāo)本，建立了世界上最大的種子庫(kù)。

二戰(zhàn)期間，種子庫(kù)所在地列寧格勒市遭到了德國(guó)軍隊(duì)的長(zhǎng)期圍攻，一些科學(xué)家主動(dòng)留下來(lái)保護(hù)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(xué)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(lái)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(gè)被嚴(yán)密監(jiān)測(cè)的溫室里，他們正在種植尼古拉·瓦維洛夫留下的來(lái)自11個(gè)不同原產(chǎn)地的60個(gè)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(gè)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(shí)提高作物產(chǎn)量。

一旦他們對(duì)尼古拉·瓦維洛夫留下的種子的生物化學(xué)機(jī)制有了更好的了解，就可以建立預(yù)測(cè)模型，確定哪些品種更適合生產(chǎn)高產(chǎn)作物并進(jìn)行商業(yè)化推廣。他們將在當(dāng)前氣候條件下進(jìn)行多季栽培，但最終目標(biāo)還要對(duì)它們進(jìn)行未來(lái)氣候條件下的測(cè)試。他們可以用溫室來(lái)模擬未來(lái)環(huán)境，對(duì)增加二氧化碳和提供不同溫度條件下培養(yǎng)的新品種進(jìn)行測(cè)試。

科學(xué)家利用新方法來(lái)提高作物抗逆性。

在溫室和大田試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)某些表觀遺傳修飾的番茄植株比未經(jīng)修飾的植株生長(zhǎng)更多的果實(shí)。

提高作物抗逆性有了新途徑

氣候變化使作物生長(zhǎng)季節(jié)變得不那么可預(yù)測(cè)，科學(xué)家們挖掘出一種新的方法來(lái)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(xué)家利用RNA干擾讓一種叫做MSH1的基因沉默，使基因表達(dá)發(fā)生改變，使其能更好地應(yīng)對(duì)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(guò)的，這些番茄在她的家鄉(xiāng)——美國(guó)加利福尼亞州的炎熱氣候環(huán)境下生長(zhǎng)得很好。然而，近年來(lái)的高溫?zé)崂藢?duì)于番茄的生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)很不利，因?yàn)樘鞖鈱?shí)在太熱了。

氣候變化正在對(duì)加州人的收入和生計(jì)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(gè)問(wèn)題。在農(nóng)作物生產(chǎn)者和科學(xué)家們尋找使作物在應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)更具韌性途徑的同時(shí)，她看到了利用植物的自然能力快速打開(kāi)和關(guān)閉選擇基因以應(yīng)對(duì)壓力的潛力。

傳統(tǒng)植物育種家使用選擇性育種來(lái)創(chuàng)造高產(chǎn)品種，但明尼蘇達(dá)大學(xué)研究玉米的遺傳學(xué)家內(nèi)森·斯普林格認(rèn)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(méi)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(duì)植物表觀遺傳機(jī)制（激活和停用某種基因的生物過(guò)程）在產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量穩(wěn)定性之間的動(dòng)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(shí)“打開(kāi)”和“關(guān)閉”這種“基因開(kāi)關(guān)”的能力，那么就有可能在需要時(shí)激活或不需要時(shí)關(guān)閉增強(qiáng)耐旱性的“基因”，在提高作物抗旱能力的同時(shí)避免對(duì)產(chǎn)量造成影響。但問(wèn)題是，我們?nèi)绾尾拍茏龅絻扇涿滥兀?/p>

科學(xué)家的新方法是開(kāi)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(dòng)打開(kāi)“基因開(kāi)關(guān)”。她的“訣竅”是利用RNA干擾來(lái)沉默一種叫做MSH1的基因，MSH1存在于植物細(xì)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(kāi)始發(fā)揮作用，只要基因表達(dá)發(fā)生改變，就能更好地應(yīng)對(duì)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(zhǎng)良好，對(duì)佛羅里達(dá)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(rèn)為，這種提高植物適應(yīng)力的方法很有價(jià)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(xué)方法只需要一年時(shí)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(jìn)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(guó)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)此，內(nèi)森·斯普林格擔(dān)心，一些種子公司對(duì)于表觀遺傳育種可能會(huì)猶豫不決，擔(dān)心關(guān)閉的基因會(huì)突然再次啟動(dòng)，但在薩莉·麥肯齊已完成的實(shí)驗(yàn)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，表觀遺傳育種很重要?？茖W(xué)家們必須用盡可能多的作物進(jìn)行測(cè)試，加速進(jìn)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(xué)家內(nèi)森·斯普林格

種子庫(kù)保障未來(lái)糧食安全

目前，世界各地的種子庫(kù)儲(chǔ)存了許多與糧食安全相關(guān)的作物。隨著氣候變化，保護(hù)好當(dāng)?shù)刈魑锲贩N是提高糧食安全的關(guān)鍵。“未來(lái)作物”組織正在與馬來(lái)西亞土著人合作，保護(hù)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(kù)正在通過(guò)保存?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)作物的種子來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的多重挑戰(zhàn)。

在危地馬拉中部高地地區(qū)，當(dāng)?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(jìn)入一個(gè)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(lái)自該地區(qū)土著家庭的種子。這些在長(zhǎng)達(dá)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(kù)是全球最大的種子庫(kù)，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(kù)由挪威政府出資興建，多個(gè)國(guó)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(jī)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(kù)也被稱為“末日種子庫(kù)”或“末日地窖”。在這個(gè)“末日種子庫(kù)”里保存有近100萬(wàn)個(gè)種子樣本，被視為農(nóng)作物的備份副本，因?yàn)檫@些作物在未來(lái)保不定會(huì)因自然或人為因素而消失。

來(lái)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(duì)氣候變化挑戰(zhàn)的能力。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)由于農(nóng)民采用了遺傳多樣性相對(duì)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(lái)自大約30種糧食作物。

世界各地的土著社區(qū)一直是保護(hù)和重新引進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)品種的先驅(qū)?，F(xiàn)在這個(gè)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(shí)，更好地掌握傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生態(tài)耕作方法。

土著人保護(hù)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(guó)將傳統(tǒng)種子存放在斯瓦爾巴全球種子庫(kù)中的第一個(gè)土著民族。切羅基民族環(huán)境資源組織高級(jí)主管帕特·格溫介紹道，自2005年以來(lái)，切羅基部落一直致力于尋找和種植19世紀(jì)30年代切羅基人被迫從美國(guó)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(guó)家種子庫(kù)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(guó)各地的種植者分發(fā)了近1萬(wàn)包種子。

“地球母親”種子庫(kù)的陶器罐里裝著來(lái)自危地馬拉下維拉帕斯地區(qū)土著家庭的種子，包括祖?zhèn)鞯挠衩住⑶{菜和豆類。

哥倫比亞科學(xué)家阿爾瓦雷斯認(rèn)為，世界各地的種子庫(kù)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(yíng)養(yǎng)。危地馬拉的阿西格·喬奧也強(qiáng)調(diào)營(yíng)養(yǎng)是一種優(yōu)勢(shì)，當(dāng)?shù)胤N子庫(kù)里的種子品種來(lái)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(yíng)養(yǎng)特性可以防止兒童和整個(gè)家庭的營(yíng)養(yǎng)不良。

隨著氣候變化，當(dāng)?shù)刈魑锲贩N又成了提高糧食安全的關(guān)鍵，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳統(tǒng)作物都是在當(dāng)?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(guò)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(duì)不斷變化的氣候環(huán)境。這些小小的種子是人類未來(lái)的希望，將在很大程度上改變我們的世界。