野生作物助力全球营养安全

陈轶翔/编译

野生作物助力全球营养安全

陈轶翔/编译

各种颜色及形状大小不一的番茄；一些野生品种具有的特性或可促进经济品种的多样化发展

● 通过利用野生作物种系，科学家使得主要作物品种和全球粮食系统正在经历一场基因转变。

世界上有超过5万种可食用的植物。但据联合国粮农组织（FAO）估计，全世界90%的能量需求仅仅依靠15种作物满足，我们摄取的2/3左右的热量都是由3种作物提供的：水稻、玉米和小麦。

这种对于少数作物的依赖令人担忧。通过对一些主要粮食作物一代又一代的培育，我们不经意间失去了它们最具价值的一些属性。例如，现代作物对气候条件的变化极为敏感并且深受害虫的影响。虫害可以缩减主要作物（如玉米、水稻及马铃薯）30%~40%的全球产量，还使得人们不得不求助于效力不断加强的农药。

我们种植的农作物的营养含量也在不断下降。现已退休的唐纳德·戴维斯（Donald Davis）说：“为高产而进行的育种及强化栽培容易降低营养物质的含量。”2004年，他与堪萨斯州威奇托的生物通信研究所的同事一道研究记录了过去50年数十种水果蔬菜营养含量的下降状况。戴维斯解释说，与过去相比，现代的农作物可产出更多的谷物或水果，但可食用的产品却无法吸收或合成相应数量的营养物质。例如，自1950年至今，花椰菜中的铁元素含量降低了32%，而锌元素含量则降低了37%。戴维斯说：“较大棵的花椰菜意味着较低的矿物质含量，因而我通常挑选购买那些最小棵的花椰菜。”

未来几十年的粮食需求将进一步增加。为解决营养质量问题，科学家正在向大自然寻求帮助。在适应不断变化的极端环境数百万年后，那些与现代主要作物有各种亲缘关系的野生品种造就了丰富的遗传多样性。这些野生植物就像是一座拥有各种宝贵特性的庞大图书馆，有望提升现代作物的质量和抗逆性。在全球范围内，研究者正试着通过杂交将这些特性赋予驯化作物。德国波恩的一家非营利性组织“农作物信托基金会”的作物学家诺拉·阿尔瓦雷斯说：“作物育种计划能从这种遗传多样性中获益，更加有效地利用自然资源，培育新的营养丰富的农作物品种，使其能够应对严酷的环境条件和破坏性的害虫与疾病。”但如果要充分发挥作物育种计划的潜力，科学家需要保护濒临灭绝的野生品种并探究它们的基因遗传秘密。

提高农作物的抗逆性

在世界大部分地区，番茄都是一种主要作物。据联合国粮农组织统计，番茄是仅次于马铃薯和木薯的第3种最广泛种植的蔬菜作物；2014年，全球番茄产量约1.7亿吨，包含大约7 500个番茄品种，但仍有提高的空间。野生番茄生长于各种不同的栖息地，不受害虫和土壤质量的影响，研究人员正在探究这些特性能否转移到经济作物上，以提高其抗逆性。

能够天然地抵抗虫害的经济番茄将具有重大价值。在中国台湾台南的世界蔬菜中心，作物遗传学家彼得·汉森（Peter Hanson）和穆罕默德·拉哈（Mohamed Rakha）正利用在加拉帕戈斯群岛上发现的野生番茄品种——醋栗番茄、加拉帕戈斯番茄和契斯曼尼番茄培育能够抵抗多种病虫害的番茄新品种。

这些野生番茄之所以可以抵抗病虫害，是由于被称为腺毛状体的小型毛状结构覆盖了叶子和茎。汉森说：“这些腺毛状体产生的酰基糖和其他化合物对各种各样的害虫都具有排斥或毒性作用。”

要将这种抗虫害腺毛状体的特性赋予经济番茄，需要与野生品种进行“回交转育”。汉森利用的是一种被称为CLN3682C的优良番茄种系（一批具有某些特性的纯种），该种系已经可以抵抗细菌性枯萎病、番茄黄化曲叶、根结线虫和镰孢枯萎。

汉森解释道，杂交的作物经过筛选，可鉴别出那些具有野生品种特性以及优良种系特性的作物。如果对野生品种的抗虫害特性进行基因测序，加速的只是挑选过程，而非监测基因表达，研究人员只能够寻找基因或等位基因的存在，这就是“标记辅助选择”。

被挑选出来的作物之后会互相杂交，杂交出的下一代会与优良种系再进行杂交，以此增加作物携带每一种理想特质的可能性。汉森说：“抗虫害品种还必须能够产出高质量、高产量的果实。”

这个过程对每个野生品种都要重复进行，因而需要时间。汉森说：“每一次杂交和选择都要花费将近1年的时间。”他估计，大约要花5年的时间才能培育出具有抗虫害特性的经济番茄品种。

2016年，沙特阿卜杜拉国王科技大学的植物生物学家马克·特斯特（Mark Tester）与博士生伊夫利纳·帕耶（Yveline Pailles）研究发现，加拉帕戈斯番茄和契斯曼尼番茄在高盐化土壤中也能茁壮生长。现在的目标就是培育出具有此种特性的经济番茄种系。

特斯特说：“到目前为止，番茄是世界上种植最为广泛的园艺作物，它们的生长需要大量的水。”经济番茄的种植需要淡水，而淡水是一种日益有限的资源。“目前未使用的主要水资源是微咸水。这正是我研究的动力。”特斯特估计，新型耐盐番茄种系将在未来几年内培育成功。

提高营养物质含量

研究人员也在努力提高番茄的营养物质含量。2003年，汉森及同事们在台湾发布了培育的两个番茄品种，其维生素A的含量比普通番茄多6倍。汉森解释道，该品种富余的维生素A及其橙色外表，来自于一种叫作贝塔（Beta）的基因，该基因于1950年被发现存在于野生品种多毛番茄中。

汉森说：“我们希望我们培育的富含β-胡萝卜素的樱桃番茄品种能够推广到宅园中，尤其是在孟加拉这样的国家，该国民众严重缺乏维生素A，尤其是儿童。”然而，该品种发布后最初的10年间，需求一直疲软。汉斯把原因归结于很难说服人们相信橙色番茄同他们熟悉的红色番茄一样优质美味。他说：“关键因素是创造消费需求。”但是资源的匮乏阻碍了他培育的番茄的推广。

在美国科瓦利斯的俄勒冈州立大学，蔬菜育种学家和遗传学家吉姆·迈尔斯（Jim Myers）也培育出了更有营养的番茄。他培育出了富含抗氧化剂花青素的紫色番茄。番茄育种家一直试着从各种野生品种中（包括类番茄、秘鲁番茄、智利番茄、契斯曼尼番茄）培育出一种富含花青素的品种，但半个世纪以来收效甚微。曾于20世纪50年代培育出的品种“紫色斑点”仅能微弱地表达产生花青素的基因。

迈尔斯和他的团队将智利番茄和契斯曼尼番茄进行杂交。迈尔斯说：“如果将这两个野生品种的基因结合起来，那么在色素表达方面就会获得显著提高——培育出像茄子一样黑的番茄。”这就是“靛蓝玫瑰”，每100克新鲜水果中包含10~30毫克的花青素，而普通番茄中是完全不含花青素的。

在美国，市场上能够买到的“靛蓝玫瑰”栽培品系有20多种，其中大部分都源自于迈尔斯培育的种系。

将野生品种的特性引入培育的经济作物中是一个漫长的过程。为了加快进程，可以对被忽视的作物全部加以利用或者可以对经济作物进行基因改良（即转基因）。“靛蓝玫瑰”番茄不属于转基因，因为迈尔斯仅使用了传统育种技术。转基因技术使得研究人员能够将野生品种的基因直接植入作物中，大大提高了新品种的栽培速度。基因也可以源自不同的生物体，如细菌。阿姆斯特丹大学的植物遗传学家弗朗西斯卡·夸特罗基奥（Francesca Quattrocchio）说：“从这个角度看，将新特性引入培育作物的可能性在原则上是无限的。”

然而，尽管转基因作物在澳大利亚、美国及南美大部分地区都已被接受，在其他地方仍有不少人持反对意见。在欧洲和非洲的很多国家，转基因作物要么是禁止的，要么必须通过一个严格的授权过程。在此过程中遇到的种种阻碍以及对转基因使用者的限制使得通过转基因来培育新品种所节省的时间变得毫无意义。

稳赢的赌局

然而，野生近缘种系中宝贵的遗传多样性处境堪忧。超过70%的野生近缘品种已被确认处于亟须保护的状态。总体上，全球大约20%的植物物种濒临灭绝。

阿尔瓦雷斯认为，农业向自然生态系统的扩张是导致上述问题的主要原因之一。热带地区植物物种的濒危程度是温带地区的两倍。总部位于意大利的国际慢食协会致力于维护全球各个区域的传统饮食文化，该机构副主席伊迪·穆基比（Edie Mukiibi）说：“这些植物和动物物种能够存活和发展，原因在于它们很好地适应了一定的土壤环境。我们一定要保护生物多样性，因为它代表的是几千年来农业发展的精华。”

位于利马的国际马铃薯中心通过成立秘鲁土著文化中心网络，力图就地保护马铃薯品种。该中心的植物遗传学家塞韦林·波尔赖希（Severin Pohlreich）透露，该信息网络记录了秘鲁、玻利维亚和智利这3个国家里拥有丰富多样性的马铃薯各品种的位置。他说：“这个网络将有助于支持当地对全球最大的马铃薯基因库的监测与保护，而这个基因库就在多样性中心。”

其他计划项目则重点关注在自然栖息地之外对野生物种的保护。在世界各地，大约有1 750个基因库以及植物园，拥有超过740万种子或者来自成千上万物种的植物组织。这些样本有近90%都保存在国家基因银行里。例如，遗传资源中心（CGN，荷兰瓦赫宁根大学的一部分）拥有目前世界上最大的且种类最为繁多的莴苣属植物收藏。

为防止这些基因银行中种子的丢失，斯瓦尔巴全球种子库进行了备份。该种子库位于挪威斯瓦尔巴群岛上一座砂岩山的深处，可容纳25亿颗种子；目前存储着超过88万个样本，其中包括全球的主要粮食作物。存储的种子仅供紧急情况下提取使用——重大灾难或是未来生物多样性的逐步丧失。阿尔瓦雷斯解释说：“每个基因银行将自己收集的种子进行备份，并寄送给斯瓦尔巴全球种子库。像你、我这样的外部用户无法向种子库申请种子的提取，只有相应的基因银行在紧急情况下才能提出申请。”迄今为止，唯一的一次种子备份提取申请是由国际干旱地区农业研究中心（ICARDA）于2015年提出的。由于遭到战乱的破坏，该中心将其基因银行从叙利亚的阿勒颇迁至黎巴嫩及摩洛哥并进行重建。2017年2月，ICARDA又将15 000多颗种子的备份寄还给了斯瓦尔巴全球种子库。

负责斯瓦尔巴全球种子库的“农作物信托基金会”认为，对作物多样性的保护是实现全球粮食及营养安全的一个至关重要的手段。该基金会与英国皇家植物园，还有世界各地的很多作物育种家和研究者一起主导了一项耗资5 000万美元的针对农作物的野生近缘植物的研究计划。这项为期10年的计划发起于2011年，由挪威政府资助。“农作物信托基金会”的全球计划负责人汉内斯·登佩沃尔夫（Hannes Dempewolf）透露，该计划的目的是收集并保存29种主要作物的450多个野生近缘种系。从长远看，该计划旨在培育新一代的优良作物，使其具备一个或多个野生近缘种系的理想特性。在预育种项目计划中，基因特质将会被分离并引入到育成品系中，这些育成品系相比于野生作物更易与经济品种进行杂交。这种预育种项目已为19种野生近缘种系而制定，包括茄子和水稻。

无论是用来培育新的作物，还是更好地利用原来被忽视的作物，野生近缘种系的农作物看上去都是粮食危机问题的答案之一。夸特罗基奥说：“至少在转基因作物获得更广泛的认可之前，野生品种的遗传多样性是目前最好的解决方案。”对此，阿尔瓦雷斯表示赞同：“农作物的野生近缘种系可以帮助我们继续生产更为可持续的粮食，以满足全世界对粮食的数量和质量需求。但首先，我们需要保护它们并确保它们的可用性。”

[资料来源：Nature][责任编辑：朝 云]