农业如何应对气候危机

方陵生

世界各地的植物科学家一致认为，未来几十年，全球粮食安全将面临多重挑战。科学家虽然没有时间机器，但他们可以建立起古老农作物的种子库，以及可以模拟未来温度和二氧化碳水平的温室。分子生物学和种子库是未来农业生产的关键，也是人类未来粮食安全的保障。

培育耐干旱和抗热浪的作物

“我们需要在2050年前将粮食产量提高70%，以确保养活世界上不断增长的人口。”澳大利亚国立大学转化光合作用研究中心的罗伯特·沙伍德说道。如果一切按计划进行，罗伯特·沙伍德和他的同事们将培育出能够应对未来干旱和高温热浪的作物。

今天，全球人口将近75亿，到2050年可能接近100亿。农业科学家一直在努力提高小麦和水稻的产量，它们是人类赖以为生的最重要的农作物。而现实情况是，农作物产量每年都在下降。真正影响农作物产量的是极端气候。在过去10年里，干旱和高温热浪的强度和频率在急剧增加。

随着人为二氧化碳排放量的增加，这种情况预计只会变得更糟。农业科学家必须培育出能够应对和适应极端气候事件的作物。罗伯特·沙伍德和其他科学家希望通过作物强大的光合作用来实现这一目标。

在光合作用过程中，植物利用阳光将二氧化碳转换为其所需的碳水化合物。一种名为“核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（简称RuBisCO）”的酶在这种转化中起着关键作用，罗伯特·沙伍德的大部分时间都在研究RuBisCO在各种植物物种，特别是草类中的不同行为表现。他和他的同事在调查澳大利亚的本土禾草时发现了一些有趣的东西。不同的天然草类不仅在RuBisCO酶上存在差异，而且对温度的反应也不同。

罗伯特·沙伍德正与澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的冈萨罗·埃斯塔维洛博士合作，研究小麦品种是否也表现出这种自然变异性。为了探索这一可能性，他们需要从不同气候条件的地区中寻找各种不同的小麦品种，感谢一批有远见的俄罗斯科学家，使罗伯特·沙伍德和冈萨罗·埃斯塔维洛找到了完美的研究样本资源。

20世纪20年代初，俄罗斯经历了内战后的饥荒。为了防止可能出现的农业灾难，一位年轻的俄罗斯植物学家尼古拉·瓦维洛夫在世界各地收集野生小麦和其他粮食作物的种子，他和他的同事共收集了近20萬个标本，建立了世界上最大的种子库。

二战期间，种子库所在地列宁格勒市遭到了德国军队的长期围攻，一些科学家主动留下来保护这些种子。他们宁愿挨饿，也拒绝食用任何种子。最后，有9名科学家守着这批种子饿死了，其中包括尼古拉·瓦维洛夫。如今，尼古拉·瓦维洛夫留下的种子可以用来帮助养活全世界人口。

目前，罗伯特·沙伍德等人正在研究一些小麦品种是如何适应其原产地气候的，他们正在寻找二氧化碳固碳作用和光合作用特性产生自然变异的作物品系。在一个被严密监测的温室里，他们正在种植尼古拉·瓦维洛夫留下的来自11个不同原产地的60个小麦品系。早期的培育结果表明，不同小麦品种的光合作用功能存在差异。罗伯特·沙伍德想知道，这是否是因不同品种RuBisCO性能差异和RuBisCO含量的不同造成的。一个RuBisCO含量低但高效的小麦品种能很好地适应高温环境，这将使农民在减少化肥和水的使用量的同时提高作物产量。

一旦他们对尼古拉·瓦维洛夫留下的种子的生物化学机制有了更好的了解，就可以建立预测模型，确定哪些品种更适合生产高产作物并进行商业化推广。他们将在当前气候条件下进行多季栽培，但最终目标还要对它们进行未来气候条件下的测试。他们可以用温室来模拟未来环境，对增加二氧化碳和提供不同温度条件下培养的新品种进行测试。

科学家利用新方法来提高作物抗逆性。

在温室和大田试验中，经过某些表观遗传修饰的番茄植株比未经修饰的植株生长更多的果实。

提高作物抗逆性有了新途径

气候变化使作物生长季节变得不那么可预测，科学家们挖掘出一种新的方法来提高作物抗逆性，植物表观遗传修饰显示了提高粮食安全的前景。科学家利用RNA干扰让一种叫做MSH1的基因沉默，使基因表达发生改变，使其能更好地应对气候变化的压力。

萨莉·麦肯齐的暑假是在大片鲜红成熟的番茄作物间度过的，这些番茄在她的家乡——美国加利福尼亚州的炎热气候环境下生长得很好。然而，近年来的高温热浪对于番茄的生长来说很不利，因为天气实在太热了。

气候变化正在对加州人的收入和生计构成威胁，气温上升再加之降水稀少，给该州的农业造成了近30亿美元的损失。在世界的其他地区同样也是如此。现在萨莉·麦肯齐正在努力解决这个问题。在农作物生产者和科学家们寻找使作物在应对气候挑战更具韧性途径的同时，她看到了利用植物的自然能力快速打开和关闭选择基因以应对压力的潜力。

传统植物育种家使用选择性育种来创造高产品种，但明尼苏达大学研究玉米的遗传学家内森·斯普林格认为，在提高产量潜力和产量稳定性之间人们往往需要作出一种权衡。他们可以培育一种非常耐旱的植物，但在没有干旱的正常年景里，这种培育植物的产量可能只有原先的一半。

萨莉·麦肯齐和内森·斯普林格都对植物表观遗传机制（激活和停用某种基因的生物过程）在产量潜力和产量稳定性之间的动态平衡中所起的作用很感兴趣。如果能够提高植物在环境条件变化时“打开”和“关闭”这种“基因开关”的能力，那么就有可能在需要时激活或不需要时关闭增强耐旱性的“基因”，在提高作物抗旱能力的同时避免对产量造成影响。但问题是，我们如何才能做到两全其美呢？

科学家的新方法是开发植物的“压力记忆”。为培育更具弹性的植物，萨莉·麦肯齐诱使一种植物在压力下作出反应，能主动打开“基因开关”。她的“诀窍”是利用RNA干扰来沉默一种叫做MSH1的基因，MSH1存在于植物细胞能感知压力的质体中。她和她的同事们研究发现，抑制母株中的MSH1，表观遗传调控便开始发挥作用，只要基因表达发生改变，就能更好地应对压力。

经研究发现，亲本植物的后代很好地继承了这种“压力”记忆，生长良好，对佛罗里达的高温也更有抵抗力。与传统番茄品种相比，新品种的产量提高了35%。萨莉·麦肯齐认为，这种提高植物适应力的方法很有价值。传统育种方法可能需要10年才能有类似结果。相较之下，表观遗传学方法只需要一年时间就可以了。

抗高温番茄新品种的成功育种促使萨莉·麦肯齐在其他作物上进行了尝试，包括大豆、高粱、苜蓿和草莓。但这些尝试都需要与公司合作，在不同季节、不同环境和不同国家对这项技术进行测试。对此，内森·斯普林格担心，一些种子公司对于表观遗传育种可能会犹豫不决，担心关闭的基因会突然再次启动，但在萨莉·麦肯齐已完成的实验中，表观遗传变化在几代植物中都保持了一致。考虑到气候变化对农业生产的影响，表观遗传育种很重要。科学家们必须用尽可能多的作物进行测试，加速进展，取得更多的突破。

研究玉米这一世界上重要粮食作物性状表观遗传调控的科学家内森·斯普林格

种子库保障未来粮食安全

目前，世界各地的种子库储存了许多与粮食安全相关的作物。随着气候变化，保护好当地作物品种是提高粮食安全的关键。“未来作物”组织正在与马来西亚土著人合作，保护傳统品种的水稻、小米和其他未充分利用的作物。世界各地的种子库正在通过保存传统农业作物的种子来应对气候变化带来的多重挑战。

在危地马拉中部高地地区，当地非政府农业发展组织协调员罗莎莉亚·阿西格·乔奥带领一小群游客进入一个种子室，室内从地面到天花板摆满了陶制圆筒，内装有包括玉米、苋菜等来自该地区土著家庭的种子。这些在长达数十年的危地马拉内战中几乎消失的农作物种子都保存在这里。

斯瓦尔巴全球种子库是全球最大的种子库，它位于北冰洋的斯瓦尔巴群岛上，用于保存全世界的农作物种子。该种子库由挪威政府出资兴建，多个国际基因和生物组织参与合作，是为了在大规模的区域性或全球性危机出现期间防止某些种子基因的遗失，以及保存和备份种子的样本而建的，因此斯瓦尔巴全球种子库也被称为“末日种子库”或“末日地窖”。在这个“末日种子库”里保存有近100万个种子样本，被视为农作物的备份副本，因为这些作物在未来保不定会因自然或人为因素而消失。

来自传统农业品种的种子被称为“地方品种”或“祖传品种”，它们可以提高粮食系统应对气候变化挑战的能力。根据联合国粮农组织的统计，20世纪由于农民采用了遗传多样性相对较小的高产品种，世界上约3/4的作物遗传多样性已经丧失，现在我们从食物中获得能量的约95%只来自大约30种粮食作物。

世界各地的土著社区一直是保护和重新引进传统农业品种的先驱。现在这个危地马拉非政府农业发展组织有500名成员（其中80%是妇女）活跃在各土著群体中，其目的是帮助农民在保存本土种子的同时，更好地掌握传统农业生态耕作方法。

土著人保护种子的努力不限于危地马拉。2020年2月，印第安民族切罗基成为美国将传统种子存放在斯瓦尔巴全球种子库中的第一个土著民族。切罗基民族环境资源组织高级主管帕特·格温介绍道，自2005年以来，切罗基部落一直致力于寻找和种植19世纪30年代切罗基人被迫从美国东南部迁往俄克拉荷马州期间损失的农作物品种。切罗基国家种子库现在保存了100多种不同种类的农作物种子。2019年，他们向美国各地的种植者分发了近1万包种子。

“地球母亲”种子库的陶器罐里装着来自危地马拉下维拉帕斯地区土著家庭的种子，包括祖传的玉米、苋菜和豆类。

哥伦比亚科学家阿尔瓦雷斯认为，世界各地的种子库保存了许多与粮食安全相关的作物，一些传统品种比其他品种更有营养。危地马拉的阿西格·乔奥也强调营养是一种优势，当地种子库里的种子品种来自危地马拉北部的玛雅阿奇人地区，这种祖传种子的营养特性可以防止儿童和整个家庭的营养不良。

随着气候变化，当地作物品种又成了提高粮食安全的关键，因为大多数传统作物都是在当地被驯化的本土作物。例如，一种传统的高粱地方品种通过参与式的植物育种被重新发现其特性有助于作物应对不断变化的气候环境。这些小小的种子是人类未来的希望，将在很大程度上改变我们的世界。