W当你咬一口新鲜的玉米穗时，你是在吃非常不自然的东西。现代的果穗又大又好吃，里面有18排饱满的果仁。它的野生祖先看起来很悲伤，只有六到八排玉米粒，看起来更像是你从草坪上除草的东西，而不是你放在烤架上的东西。我们今天吃的这种多汁的版本是数千年育种和选择的结果。几乎每一种现代作物都是如此:它们被一次又一次地转基因，以养活不断增长的城市化人口。
现在我们需要再次改造我们的作物。提高产量和规模的旧策略已经不够了。几个世纪以来，人类温室气体的排放已经赶上了我们。到本世纪中叶，全球平均气温可能会上升至少2摄氏度，极端风暴、降雨和干旱已经更加频繁地发生，种植条件的变化速度超过了农民及其作物的适应能力。冷泉港实验室的遗传学教授Zachary Lippman把这种情况比作一场军备竞赛——只不过这次我们是在和自己竞争。
嘉吉(Cargill)和阿彻丹尼尔斯米德兰(Archer Daniels Midland)等农业企业意识到了这场斗争，它们大多押注于利用最新的基因工程技术改进作物育种，将扭转局面。Lippman怀疑这是否足够。“赢得气候变化军备竞赛将是极具挑战性的，”他说。继续微调现有作物的特性，让它们更加专业化，只会让挑战变得更大。我们需要解决现代农业的一个根本弱点:极端依赖少数作物的少数品种，特别是玉米、小麦、水稻和大豆。
解决粮食和气候危机需要从根本上入手，找到使我们的作物组合更广泛而不是更狭窄的方法。李普曼说:“我们需要思考几千年前驯化是如何运作的。”在那时，早期形式的现代作物可以脱离它们原来的地理范围，在新的地方种植，因为农民和育种者选择了突变，使这些适应发生。我们可以再次做到这一点，将被忽视的作物添加到主流食品供应中，并在数个世纪的逆向发展之后努力扩大农业基因库。这种调整将有助于确保农民拥有适合未来几十年可能遇到的极端种植条件的作物。
Lippman说:“我们在最大化多样性方面做得不是很好。”“要想赢得气候变化之战，多样性是必不可少的。”
T今天，农业替代品已经以孤儿作物的形式存在了:这些作物在世界上一些地方小规模种植，但在培育和研究方面没有像主要作物那样受益。其中一些已经适合相对炎热或干燥的条件。由于它们没有像玉米、大豆和小麦那样经过广泛的繁殖，这些孤儿有更多尚未开发的潜力。
拥抱孤儿作物的第一个障碍是识别最有希望的作物，并吸引人们对它们的关注。藜麦是一种孤儿作物默默无闻的典型例子。在南美洲的安第斯山脉北部地区，人们食用了数千年，但在那里以外的地方却鲜为人知。从20世纪80年代开始，它作为一种健康的传统谷物开始受到关注，并受益于广泛的研究和营销。它现在正成为主流;2009年至2019年，全球产量增长了两倍多，达到23万吨。
随着气候变化破坏现有农业系统的稳定，许多其他孤儿作物可能变得越来越重要。李普曼在冷泉港实验室的研究小组一直在调查美国的孤儿茄科家庭，一个多样化的群体，包括西红柿，土豆，茄子和辣椒。在这个家族中至少有25种孤儿作物存在，还有许多其他未开垦的野生亲戚具有作物潜力。Lippman对家养的非洲茄子特别感兴趣，因为它的果实而被种植，茄属植物anguivi它的叶子被吃掉了。只有当地社区吃这些物种，因为没有太多的兴趣把它们发展成主流粮食作物。“有几十个茄科这些植物具有比我们目前意识到的更广泛的农业潜力，”Lippman说。
在一个变暖的世界里，我们需要改造我们的作物。提高产量和规模的旧策略已经不够了。
Lippman与以色列魏茨曼科学研究所的植物生物学家Yuval Eshed合作，研究了番茄植物的驯化基因;他们和其他研究人员发现，驯化通过在不同的植物谱系中改变相同的基因产生了有益的效果。这组与许多作物驯化相关的基因指导了两种关键激素的产生，成花素和抗花素。这些激素控制着开花的时间和每株植物的花朵数量，以及植物茎的生长和分枝。最近的发现表明，专注于这几个基因可以加速孤儿作物的改良，甚至使具有作物潜力的野生植物重新驯化成为可能。Eshed和Lippman对孤儿豆科植物很感兴趣，比如耐旱鹰嘴豆，它们有很大的潜力进行更广泛的种植。苔芙是生长在非洲的一种耐寒、富含蛋白质的谷物，是另一种可以大幅扩大产量的孤儿作物。
利普曼建议思考如果我们从头重新创建现代农业:“我们可以关注的基因和家庭的基因已被证明在历史上是最重要的驱动特性变化,给我们的农业类型,我们有今天,”他说。“当然，其他基因中还有很多变化也很重要，也需要加以考虑，但某些基因家族尤为突出。”
在西红柿、大豆、土豆、大豆、草莓、大麦、甜菜、大米和小麦等多种农作物上，育种家已经反复修改了成花素调节基因。(在历史上的大部分时间里，农民们只根据外表进行这种基因改造，并不知道在分子水平上发生了什么。)控制花的产量是至关重要的，因为花变成了果实;开花的时间决定了生长季节的长短和收获。以色列理工学院的生物学家Akiva Shalit-Kaneh与Eshed等人合作发现，成花素和反成花素也会影响茎的生长模式。在植物开花过程中，茎中的管道(脉管系统)生长和成熟;这种由成花素和反成花素共同调控的生长表明，它们的相关基因可以在其他方面改善作物。
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而不是耐心地等待着自发的有益突变产生,植物育种者一样几千年来,这个想法是为了加快速度通过CRISPR基因编辑创建在基因组的位置变化,代码为成花素和antiflorigen-essentially诱导多样性的需求。增加这些基因组目标区域的遗传多样性将使更广泛的适应气候变化成为可能。植物育种家可以利用这种扩大的基因调色板，结合现有的遗传变异，选择最适合特定生长条件的植物品种，如更热、更频繁的干旱或高盐度。
由李普曼和博士后研究员领导的研究小组Choon-Tak Kwon对番茄植物就是这样。研究人员与韩国、以色列和美国其他地方的同事合作，对番茄进行基因编辑，使其开花更快，茎长得更短，形成一种适合城市农业的紧凑植物——这是对当前农业局限性的另一种有希望的回应。在人口密集地区种植和分发粮食，可以避免工业化农业的高能源和运输成本，还可以提高难以获得新鲜农产品的社区的粮食安全。在另一项研究中，Lippman的团队在番茄中改造了30个基因变异(等位基因)，以调节果实的大小和重量。它就像一个刻度盘，可以调高或调低，以生产所需的水果大小。
原则上，这些相同的基因调谐技术现在可以应用于其他成员茄科家族，把不太熟悉的植物变成有用的新作物。尽管CRISPR技术是一种尖端技术，但它所激活的基因机制与几千年来种植植物的农民一直在操纵的基因机制是一样的——与植物本身在数千万年的自然选择中进化出来的机制是一样的。李普曼说:“我们需要向自然鞠躬，向自然点头，以及饲养者如何利用自然提供的东西来工作。”“基因编辑工具是一种手段，让我们与自然赋予我们的东西并肩行走，并帮助它。”
我识别和改进孤儿作物只是改变全球农业方向努力的一部分。仅在美国，农业综合产业的规模就高达1万亿美元，企业农场几乎没有动力对新品种进行劳动密集型微调，而它们的利润几乎完全依赖于几种作物。事实上，美国农田的多样性比以往任何时候都要少，因为公司专注于种植玉米和大豆;根据美国农业部(U.S. Department of Agriculture)的数据，仅这两种作物加起来就占了美国1.8亿英亩的种植面积。1Lippman说，放弃主流作物转而开发鲜为人知的新品种“如果没有财政激励，私营公司是不会去做的”。
奥布里斯特雷特克鲁格他认为，气候适应、经济和文化之间存在联系，真正的变化必须包括所有这些因素。她说:“从农学上讲，我们必须知道如何种植这些植物，如何种植它们以获得高产量，如何与它们相处并管理它们。”农民必须学会如何种植和管理这些新作物，消费者也必须想要食用它们。如今超市的农产品货架与几十年前相比有了很大的不同，藜麦和羽衣甘蓝摆放在白米饭和卷心莴苣的旁边，所以我们知道这种转变是可能的。
基因编辑工具是一种手段，让我们与自然赋予我们的东西并肩行走，并帮助它前进。
克鲁格的同事李DeHaan美国土地研究所(Land Institute)科恩扎(Kernza，麦草)驯化项目的首席科学家，对这一点进行了扩展。“基因编辑技术本身毫无用处。它必须生活在所有其他事情的背景下——传统植物育种和开发新作物所需做的所有其他工作，包括食品科学、农学和社会变化，”他说。只要有动机，所有规模的农民，从小到大的农业综合企业，都没有理由不接受这些变化。
在Lippman看来，可能改变农业企业运作方式的动机是气候变化可能会暴露不改变的成本。如今大规模、单一作物农业的强化、超级专业化版本可能会让农场越来越容易受到收获灾难的影响。我们无法预测当地的气候将如何变化，以使转基因作物的新品种适应新的气候，我们也无法可靠地预测转基因作物将如何应对不可预见的生长条件。一场代价高昂的作物歉收可能立即改变经济计算。然而，如果Lippman和其他农作物多样性的传播者成功了，农民们将已经改变方向，以防止这种可能性的发生，既接受孤儿作物，也接受目前主要作物更健壮、更不专业的版本。
在最近的一次科学在一篇综述论文中，Lippman和Eshed研究了在一个更热、更拥挤的星球上养活人类的不同想法。2作者写道:“两种主要策略是改善和进一步适应主要作物，这些作物已经受益于围绕它们开发的大规模基础设施，以及通过开发新的作物更好地适应气候变化和满足营养需求，实现农业多样化。”他们总结道，专注于成花素系统的基因组修改“可能会为作物改良带来最大回报”，这个遗传系统导致了农业历史上许多作物改良。
正如今天的甜玉米是对它的祖先玉米的一种改进，明天的超市货架可能是我们今天拥有的巨大进步。肉类是造成气候变化的主要因素，可能不太常见。由富含蛋白质的谷物和豆类制成的食物可能更有营养。像画眉苔和非洲茄子这样现在看起来很有异国情调的东西，可能已经变得非常寻常了。但最大的变化在很大程度上是看不见的:未来的作物将更好地为不断变化的世界做好准备。
利用CRISPR和相关的基因编辑工具，以及尚未开发的自然基因变异，育种者将扭转几个世纪以来日益专业化、脆弱的玉米、水稻、小麦和大豆的模式。取代它们的品种表面上看起来很相似，但它们将恢复它们的远祖长期失去的适应性。(前)孤儿作物将分享一个类似的隐藏秘密。它们也将成为CRISPR编辑的受益者——在这种情况下，它们被用来在短短几代内创造更大、更美味、更有营养的变种，而不是传统育种需要的几十或数百个变种。我们错过了阻止气候变化的机会，但李普曼相信，我们仍然可以在重塑农业和保障人类粮食供应的竞赛中获胜。
薇薇安·卡利尔(Viviane Callier)是德克萨斯州圣安东尼奥市的自由撰稿人。
冷泉港实验室对本文的支持。阅读更多鹦鹉螺频道,生物学+之外．
参考文献
1.美国农民希望种植更多的玉米和大豆。nass。美国农业部/政府(2020)。
2.农业革命为新老作物的定向育种开辟了道路。科学366eaax0025(2019)。
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