圍繞食品的現代技術革命

4月27日的Nature圍繞foodsecurity出了一期OUTLOOK特刊。這裡food security可以譯為食品安全，但不是指你有沒有吃到有三聚氰胺的奶粉，而是指食物是否充足營養的「安全」。

我們來看看聯合國糧農組織對food security的定義：指所有人在任何時候都能在物質上和經濟上獲得足夠、安全和富有營養的食物以滿足其健康而積極生活的膳食需要。這涉及四個條件：（1）充足的糧食供應或可獲得量；（2）不因季節或年份而產生波動或不足的穩定供應；（3）具有可獲得的並負擔得起的糧食；（4）優質安全的食物。

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如何實現food security

特刊就是圍繞著這個概念來說的：獲得足夠的食物是一種普遍的權利。自上世紀90年代初以來，考慮到關注過度消費和缺乏維生素和礦物質方面的增長，營養不良減少了約27%。雖然消除營養不良，實現全球糧食安全是一個雄心勃勃的目標。但按照目前的進度，聯合國可持續發展的目標——到2030年底結束全球飢餓，可能無法實現（S6）。

農作物產量的提高每年都在變少。光合作用是僅存的尚未開發的過程；其中很多是效率低下的、生物學家可以尋找提高辦法的過程（S11）。但是較高的產量並不能保證營養的含量。經濟作物的野生近緣種包含了一個遺傳上天賜的寶庫，可能是提高現代主食質量的關鍵（S8）。農業方面的實踐也有待用機器人在線升級，有打破農業中心原則的潛力（S21）。

增加和保障糧食生產只是確保糧食安全的一個步驟。S17刊登了對英國牛津大學糧食系統的研究員John Ingram的評論：需求絕不僅僅是滿足，也是管理。例如在埃及，土地和水資源短缺是食品安全的一個障礙，通過減少浪費和消費模式的改變，人口的需求可能會得到更好的服務，而不是昂貴的土地復墾項目（S14）。

我們對肉類的胃口不是可持續的，隨著全球人口的增長，肉類需求才得以增加。切換到其他蛋白質來源，包括模仿和實驗室培養的方案，可以使我們獲得減少畜牧業生產的環境效益（S18）。

這期的特刊分：Nutrition: A world of insecurity (S6–S7), Agrobiodiversity: Theliving library (S8–S10), Bioengineering: Solar upgrade(S11–S13) , Egypt: Spaceto grow(S14–S16), Perspective: Look beyond production(S17), Sustainability: Ameaty issue (S18–S20), Technology: The future of agriculture(S21–S23)七篇文章來介紹以上簡介的內容。

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和生物技術革命相關的部分

其中Agrobiodiversity: The living library, Bioengineering: Solar upgrade,Sustainability: A meaty issue和現代生物技術緊密相關。

Agrobiodiversity: The living library

文章開頭就展示了各種顏色和形態的番茄品種，這些野生品種的特性可以促進商業品種的多樣化。植物育種計劃受益於這種遺傳多樣性，來創造新的、有營養的作物品種，更有效的利用自然資源，並能應對嚴格的環境條件和具有破壞性的害蟲和疾病。但是，如果要充分發揮植物育種計劃的潛力，科學家們就必須在這些瀕臨滅絕的野生物種消失之前對它們加以保護，並找到它們的秘密。

文章中舉了一些通過野生種改良番茄性狀的例子，比如在台灣的世界蔬菜中心，科學家們在使用加拉帕戈斯群島發現的野生番茄創造新的、抗多種病蟲害的品種。這些野生的西紅柿能抵禦昆蟲，這是因為它的毛狀結構覆蓋了葉子和莖。毛狀體產生醯基糖和其它化合物，它們對廣泛的昆蟲具有排斥或毒性作用。科學家們預計估計要花大約五年的時間才能生產出具有抗蟲特性的番茄商業品種。

研究人員也在改善西紅柿的營養特性。台灣的世界蔬菜中心的科學家發布了橙色的、高β-胡蘿蔔素櫻桃番茄品種，擬解決兒童維生素A缺乏問題。美國俄勒岡州立大學的蔬菜育種家和遺傳學家Jim Myers也培育出了富含抗氧化劑的紫番茄。

保護作物多樣性是實現全球糧食安全的重要手段。在世界各地，大約有1750個基因庫以及植物園，擁有超過740萬種種子或植物組織。比如在荷蘭瓦格寧根大學的國家基因庫遺傳資源中心用於90%的樣品。作物野生近緣種可以幫助我們繼續更可持續的糧食生產，以及在數量和質量上的需求。

Bioengineering: Solar upgrade

光合作用是低效的，儘管它是一個被人們了解得最清楚的植物過程，還沒有被人為利用地來提高作物產量。由於全球人口的增長，世界各地的非營利組織和政府投資研究優化並提高稻米、小麥和豇豆等農作物光合作用的產量。科學家們在實驗室通過煙草、擬南芥甚至是綠藻來研究光合作用，將一個個基因突變來尋找植物對於光照變化反應的分子機制。去年11月植物生物學家Krishna Niyogi發現修飾過後的光合作用可以提高煙草生長的產量。現在研究人員將他們的修改轉化為糧食作物。20世紀60年代起，通過農業現代化的綠色革命提高產量的技術可能已經達到了上限，尤其是小麥和水稻。科學家們希望隨著光合作用的基因改良，能進入另一個高產的新時代。

植物捕獲的太陽能用來製造細胞內的化學能，然後用它來固定二氧化碳和生產糖。這第二階段稱為加爾文循環，也可以更有效。這項工作正在進行中，但研究人員已經發現一些在加爾文循環中的變種酶能夠更有效地固定二氧化碳。初步結果表明，這些植物的生物量增加了20 - 30%。

另外在又干又熱地方生活的植物進行C4光合作用，其中第一步涉及生產一個C4化合物，而不是C3，比C3過程是多約50%的效率，因為它使用一個更有效的酶捕捉二氧化碳。牛津大學的植物生物學家Jane Langdale主持的C4水稻項目，旨在將水稻從C3植物轉變到C4植物。

Sustainability: A meaty issue

30%的地球土地表面已經從事畜牧業生產，這一做法佔近全球溫室氣體排放的15%。而且牛不僅排放了大量的甲烷，還因為牛肉的產量使用了大量的水。

轉向更可持續的蛋白質來源既能緩解健康問題，也有助於應對氣候變化。荷蘭Maastricht 大學的生物學家Mark Post創造了第一個實驗室生長的漢堡。他們在小麥和馬鈴薯蛋白、天然香料、椰子油中製造漢堡的植物成分。而動物組織血紅蛋白或肌紅蛋白是豐富的。血紅素蛋白是肉的味道。現在研究團隊產生了利用基因工程酵母在實驗室製備血紅素蛋白。這種漢堡目前在紐約11家餐館中有售。

另外在過去的幾年裡，科學家們一直努力在實驗室里種植牛肉。典型的做法是先從活牛身上採集肌肉細胞，然後在實驗室里用營養豐富的血清餵養這些細胞，這樣它們就可以長成肌肉組織。目前科學家們已經能在大規模的生物反應器中懸浮培養細胞，並能在無動物培養基中培養細胞。不過這些替代品的成功取決於人們是否準備吃它們。

參考資料