粮食安全，国之大者

本刊综合

策划人语：

农稳社稷，粮安天下。中华民族历来高度重视粮食安全。古往今来，粮食安全都是治国安邦的首要之任。

2021年全国粮食总产量13 657亿斤，全年粮食产量连续7年保持在1.3万亿斤以上，人均粮食占有量稳定在940斤以上，为确保国家粮食安全、应对复杂多变的国内外形势、克服各种风险挑战提供了有力支撑。

联合国粮农组织《2021年世界粮食安全和营养状况》数据显示：截止到2020年，全世界有7.2亿～8.11亿人口面临饥饿，较2019年增加了1.61亿。全球超23亿人无法保证全年获取充足食物，中度或严重粮食不安全发生率相当于过去五年增幅的总和。

如何解决人类对能源和资源的巨大需求和可持续发展之间的矛盾将成为21世纪全球面临的最重要的挑战之一。“藏粮于地、藏粮于技”是确保粮食安全的物质基础，耕地保护更离不开硬核科技的支撑。

那么，问题来了：我国传统粮食作物是什么，目前有哪些科技种植手段？未来，餐桌上还会出现哪些可替代的食物？食物种子可还安全？……本期我们将带你一起去探寻。

——方郁芝  秦银银

餐桌上的主粮

主粮之首——水稻

水稻位列我国三大主粮之首，是重要的粮食作物之一。

自20世纪50年代以来，考古学家在我国长江流域出土的部分新石器时代遗址中陆续发现了水稻遗存，其中河姆渡遗址出土的距今约7000年的水稻更是吸引了全世界的目光。

水稻从植物学角度可分为两个亚种，即粳稻和籼稻。水稻所结子实即稻谷，碾去米糠层即可得到大米。稻谷除可食用外，还可以作为酿酒、制糖的原料，稻壳和稻稈则可作为牲畜的饲料。

我国是世界上第一个成功研发和推广杂交水稻的国家。目前，我国杂交水稻的种植面积约2.55亿亩，占全国水稻种植总面积的一半以上。袁隆平是我国杂交水稻事业的开创者和领导者，为我国粮食安全、农业科学发展、世界粮食供给做出了杰出贡献，被誉为“杂交水稻之父”。杂交水稻技术也被联合国粮农组织列为解决发展中国家粮食短缺问题的首选技术，是中国科技领域自主创新的标志性成就。

确保粮食安全还需坚守耕地红线，聚焦以科技提升耕地亩产量上。我国现有的15亿亩盐碱地是未来极为重要的后备耕地资源，目前全国已签约600万亩盐碱地改造项目，正式启动了海水稻的产业化推广和商业化运营，拟用8～10年时间实现亿亩荒滩变良田的目标。

此外，我国科学家已成功破译控制水稻种子活力的“遗传密码”，这项研究揭示了活性氧清除途径改善水稻种子活力的新机制，为进一步改良作物相关农艺性状提供了有用的靶标。同时，我国已成功实现在植物工厂环境下水稻种植60天左右收获的重要突破，将传统种植环境下120天以上的水稻生长周期缩短了一半，为加速作物育种提供了新的技术途径。

现代化水稻种植技术也是保证水稻产量的关键所在，我国领先的水稻种植技术体现在水稻机械直播和机械化育插秧技术的发展与创新上。水稻直播技术中，机械喷播、机械精量湿润直播、机械旱直播和无人机直播等不同类型的直播技术，突破了地形地貌限制。在机插秧技术中，叠盘育秧和精准稀播技术降低了杂交稻机插育秧的用种量，满足了杂交稻机插秧稀播少本稀植的需求。在水稻侧深施肥技术方面，实现了肥料定位深施，提高了肥料利用率。“插喷同步”封闭除草技术解决了规模化水稻种植带来的除草难题等。

分布最广——小麦

我国栽种小麦的历史可追溯到4000年前，位于新疆孔雀河流域发现的公元前3千纪的无壳六倍体的普通小麦遗存是目前东亚地区早期小麦标本遗存。汉代以后，小麦由北向南普及种植，中原大地也随之开启了“农耕文明”。

小麦是世界上分布最广的粮食作物，是小麦属植物的统称。小麦的颖果是人类的主食之一，将小麦研磨成面粉后可制作面包、馒头、饼干、面条等食物，发酵后可制成酒类或生物质燃料。

我国是世界上最大的小麦生产国和消费国，中国农业科学院公布的一组数据显示：我国小麦2020年播种面积较2011年减少2700万亩，但产量却增加了1300万吨，这“一减一增”的背后正是科技力量的充分体现。

近年来，我国主要农作物基因组学研究在深度解析基因组结构变异、基因组演变规律及关键农艺性状基因克隆等基础研究领域取得了一系列前瞻性、引领性、原创性重大突破。在小麦领域，完成了小麦染色体级别的D基因组精细图谱的绘制，克隆出小麦太谷核不育基因和抗赤霉病基因，大幅度提高了小麦育种效率。

基因组编辑技术是创制突破性种质资源、加速育种进程的有效手段。我国小麦分子育种团队通过载体元件的优化改造，研发了高效的小麦多基因多靶点编辑技术体系，标志着我国小麦基因编辑效率达到国际领先水平。

近期，我国小麦多基因编辑技术育种研究再次取得突破，实现了冬小麦一代多个优异等位基因聚合，并成功获得无需引入外源基因的小麦新种质。这一高效、通用的多基因编辑体系的建立，将有助于促进小麦分子生物学研究和复杂性状形成的解析，定向创制小麦新种质，实现加速育种进程，为小麦和其他多倍体农作物开展多基因聚合育种提供了重要的技术支撑。

高产作物——玉米

玉米是我国生产面积最大的粮食作物，约占粮食种植总面积的35%，其产量接近全年粮食总产量的40%，对保障国家粮食安全具有举足轻重的作用。

玉米起源于美洲，是全世界总产量最高的粮食作物之一。玉米与水稻、小麦等粮食作物相比，具有很强的耐旱性、耐寒性、耐贫瘠性，环境适应性强。玉米中的维生素含量是稻米、小麦的5～10倍，富含的核黄素能保护眼睛，硒元素能抗氧化，膳食纤维能促进人体的新陈代谢，等等。

2021年，我国粮食进口量达16 454万吨，其中玉米进口量达到2835万吨，同比增长152.2%。玉米有着较高的经济价值，也是畜牧业、养殖业、水产养殖业等的重要饲料来源。2020年下半年以来，在市场和政策的推动之下，我国生猪养殖持续恢复，玉米饲料需求进一步增加。31E668FF-DCFD-4C32-A744-ACCEFD91CC8F

受品种、耕地、气候、栽培技术、生产方式等综合因素影响，我国玉米单产量较低。近年来，我国新培育了一批丰产、稳产、宜机收籽粒的玉米品种，在鲜食玉米和青贮玉米品种选育上成效显著，进一步呈现出专用化和多样化的良好发展态势。

在前沿基础研究方面，我国科学家先后克隆解析了玉米产量、株型、抗病、耐旱等多个重要性状的关键基因，取得了一系列创新成果，发表的高水平研究论文处于全球第一方阵。在现代育种技术研发方面，在单倍体育种、转基因、基因编辑、全基因组选择等领域某些关键技术有所突破，我国玉米育种的技术得到提升。

近日，我国研究团队在玉米中发现了负责核糖体核糖核酸加工的关键因子，如果玉米中缺乏这个因子，核糖体核糖核酸加工异常，核糖体的数目也大幅减少，种子的生长发育就会受到限制，蛋白质的含量也因合成过程不完整而降低。

烤玉米、玉米烙、玉米沙拉……这也许是你眼中玉米应有的样子。但作为一颗有“雄心”的玉米，它还在创造更多可能。用玉米中的淀粉提取的聚乳酸被称为“玉米塑料”，可替代传统石油基塑料和化纤等白色垃圾，对抗击“白色污染”具有重要意义。

粮食“新贵”——马铃薯

我国马铃薯种植面积与产量均居世界首位，随着我国“积极推进马铃薯主食开发”这一战略的推出，马铃薯成为我国继水稻、小麦、玉米后的第四大主粮。

马铃薯有着“营养之王”的美誉，其膳食纤维含量是大米、小米和小麦粉的2～12倍，但热量不及它们的70%，是名副其实的高纤维、低脂肪食物。此外，马铃薯中的钾含量是香蕉的4倍，是精细大米的10～20倍，维生素B₁含量是面条的5倍、米饭的10倍，维生素C的含量是苹果的6倍。

我国现已开发300多种马铃薯主食产品，研发出新型多菌种复合发酵剂，有效改善了马铃薯主食产品的口感和风味。新研发的马铃薯主食产品不仅在品种上不断创新，加工工艺也不断改进。

马铃薯主要由水和淀粉组成，其特有的气味主要是由醛、醇等小分子有机物形成。我国一研究团队利用生物反应器将醛、醇等有机小分子加以利用，形成了独特的气味，这为研制马铃薯水、马铃薯果汁饮料奠定了基础。

未来的饮食趋势

联合国最新报告称，世界总人口或将于本世纪末迎来百亿峰值。日益增长的地球人口与资源稀缺之间的矛盾将愈发激烈，人类开发可供选择的蛋白质以及丰富多样的食物品种迫在眉睫。

聪明的人类都想到了哪些方式来应对粮食危机呢？

生产人造肉

人造肉主要通过两条技术路径来实现，一是用氨基酸、脂肪、植物（大豆、豌豆）的蛋白质等几种物质“拼”出植物肉，二是从动物体内提取干细胞，然后在生物反应器中培育试管肉，即用动物细胞“种”出培养肉。

培养肉是一项具有颠覆性的未来食品生产技术，因受制于法律法规、技术和成本等问题，短期内很难实现面向市场。培养肉理论上是对肉类的完美替代，但植物肉显然在规模化生产可行性上更胜一筹。从开发应用来说，植物肉生产技术相对成熟。

目前，国外已利用真菌培养真菌蛋白开始规模化生产素肉，英国已成功使用天然真菌生产的“真菌蛋白”来生产各类素食产品。

发掘可食用昆虫

当“黑蚂蚁火锅”“油炸知了”“炭烤蝉蛹”等出现在你的餐桌上时，千万不要惊讶，要知道人类食用昆虫历史久远，目前，有超过2000种昆虫被确定为人类可食用昆虫。

昆虫的营养价值较高，是理想的肉、蛋、奶类替代品，其中含有多种易被人体消化吸收的不饱和脂肪酸、微量元素和生物活性物质，对改善人体生理机能、治疗顽固性疾病有很好的效果。

与传统畜牧业相比，昆虫养殖是一种更环保的蛋白质生产方式，其所需的养殖空间较小，产生的温室气体排放量较少，饲料转化率较高。在全球人类活动产生的温室气体中，食品生产行业的温室气体排放量占30%，其中大部分都来自畜牧业。因此，食用昆虫有助于实现食品生产的实质性变革。

用二氧化碳合成“淀粉”

淀粉是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分，还是重要的工业原料。目前，淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成，但农作物的种植通常需要较长周期，消耗大量的土地、淡水、肥料等资源。

2021年，我国科学家在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成，这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，这一成果也使淀粉生产的传统农业种植模式向工业生产模式转变成为可能，为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

未来该系统过程成本若能降低到与农业种植相比具有经济可行性，或将节约90%以上的耕地和淡水资源，避免使用农药、化肥等对环境产生的负面影响，提高人类粮食安全，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。

农业“芯片”——种子

种子是农业的“芯片”，是国家粮食安全的命脉。人类的农耕文明可追溯到距今13 000年前，考古學家曾在伊拉克的耶莫遗址中发现了大约公元前6750年的种子遗存。从那时起，人类就知道种子就是来年收成的重要保障。

以生物资源为基础的现代生物技术需要大量的生物资源储备，许多国家通过建立种质资源库对生物资源进行有效储备和管理。

我国种质资源的现状

国家作物种质库和青海复份库作为我国保存种质资源的长期库，主要对粮、油、果、蔬等340种作物及其野生近缘植物种质资源进行50年以上的长期保存。同时，我国还配备有10个中期库，中期库中的种子可在零下4 ℃的库中保存10～20年，分发供全国各个科研机构使用的种质资源每年超过8万份。

收集的种子通常要经过3年鉴定，必须符合具有利用价值或潜在利用价值以及遗传多样性必须与库存种子有显著差异这两个标准才能入库。每份种质材料在入库前要经过筛选检测，初始发芽率达到85%才能入库保存。

我国在种质资源的保护与创新的“卡脖子”问题主要体现在“亲本材料”上，亲本材料能产生种子的父本和母本，是最关键的核心材料。如果能从库存资源中发掘大量优异种质并进行改良创制，就能将库存的种质资源优势转变成可利用的亲本材料优势，但这个过程十分漫长。

中国西南野生生物种质资源库是我国第一个国家级野生生物种质资源库，也是亚洲最大的野生生物种质资源收集、保藏机构，现保存野生植物种子10 601种85 046份，占我国种子植物物种数的36%。

种质资源库的建设使中国的野生生物种质资源，特别是中国特有种、珍稀濒危物种，具有重要的经济价值、生态价值和科学研究价值的物种安全得到了有力保障，也为我国在未来参与国际生物产业竞争奠定了坚实的基础。

世界大型种子库

斯瓦尔巴全球种子库

斯瓦尔巴全球种子库是世界上最大的农作物种子库，它坐落于北极圈内距离极点1300千米的冰山深处，面积约1000平方米，包括一条约100米长的隧道和3个带有气密锁的地下储藏室在内的建筑主体都深藏在地下约120米的位置。储藏室能存储种子样品150万份，每个样品保存约500颗种子，共计可保存15亿颗种子，足以应对人类目前所能想象到的所有灾难，被称为“植物诺亚方舟”。

英国基尤千年种子库

英国基尤千年种子库是世界上最大的野生植物种子库，始建于2000年，它重点关注濒危野生植物，并对这类植物的种子开展科学研究。

送入基尤千年种子库的植物种子需先接受干燥处理，使种子的湿度降到5%以下再进行清洁处理，并选取每种植物的50颗种子为样品，用射线检查其质量后放入琼脂中培养，检查其发芽能力后装入玻璃瓶，在零下20 ℃的温度下保存。经此处理的部分种子保存期可长达200年。31E668FF-DCFD-4C32-A744-ACCEFD91CC8F