野生作物助力全球營養安全

各種顏色及形狀大小不一的番茄；一些野生品種具有的特性或可促進經濟品種的多樣化發展

● 通過利用野生作物種系，科學家使得主要作物品種和全球糧食系統正在經歷一場基因轉變。

世界上有超過5萬種可食用的植物。但據聯合國糧農組織（FAO）估計，全世界90%的能量需求僅僅依靠15種作物滿足，我們攝取的2/3左右的熱量都是由3種作物提供的：水稻、玉米和小麥。

這種對於少數作物的依賴令人擔憂。通過對一些主要糧食作物一代又一代的培育，我們不經意間失去了它們最具價值的一些屬性。例如，現代作物對氣候條件的變化極為敏感並且深受害蟲的影響。蟲害可以縮減主要作物（如玉米、水稻及馬鈴薯）30%~40%的全球產量，還使得人們不得不求助於效力不斷加強的農藥。

我們種植的農作物的營養含量也在不斷下降。現已退休的唐納德?戴維斯（Donald Davis）說：「為高產而進行的育種及強化栽培容易降低營養物質的含量。」2004年，他與堪薩斯州威奇托的生物通信研究所的同事一道研究記錄了過去50年數十種水果蔬菜營養含量的下降狀況。戴維斯解釋說，與過去相比，現代的農作物可產出更多的穀物或水果，但可食用的產品卻無法吸收或合成相應數量的營養物質。例如，自1950年至今，花椰菜中的鐵元素含量降低了32%，而鋅元素含量則降低了37%。戴維斯說：「較大棵的花椰菜意味著較低的礦物質含量，因而我通常挑選購買那些最小棵的花椰菜。」

未來幾十年的糧食需求將進一步增加。為解決營養質量問題，科學家正在向大自然尋求幫助。在適應不斷變化的極端環境數百萬年後，那些與現代主要作物有各種親緣關係的野生品種造就了豐富的遺傳多樣性。這些野生植物就像是一座擁有各種寶貴特性的龐大圖書館，有望提升現代作物的質量和抗逆性。在全球範圍內，研究者正試著通過雜交將這些特性賦予馴化作物。德國波恩的一家非營利性組織「農作物信託基金會」的作物學家諾拉?阿爾瓦雷斯（Nora Castaneda-Alvarez）說：「作物育種計劃能從這種遺傳多樣性中獲益，更加有效地利用自然資源，培育新的營養豐富的農作物品種，使其能夠應對嚴酷的環境條件和破壞性的害蟲與疾病。」但如果要充分發揮作物育種計劃的潛力，科學家需要保護瀕臨滅絕的野生品種並探究它們的基因遺傳秘密。

提高農作物的抗逆性

在世界大部分地區，番茄都是一種主要作物。據聯合國糧農組織統計，番茄是僅次於馬鈴薯和木薯的第3種最廣泛種植的蔬菜作物；2014年，全球番茄產量約1.7億噸，包含大約7 500個番茄品種，但仍有提高的空間。野生番茄生長於各種不同的棲息地，不受害蟲和土壤質量的影響，研究人員正在探究這些特性能否轉移到經濟作物上，以提高其抗逆性。

能夠天然地抵抗蟲害的經濟番茄將具有重大價值。在中國台灣台南的世界蔬菜中心，作物遺傳學家彼得?漢森（Peter Hanson）和穆罕默德?拉哈（Mohamed Rakha）正利用在加拉帕戈斯群島上發現的野生番茄品種——醋栗番茄、加拉帕戈斯番茄和契斯曼尼番茄培育能夠抵抗多種病蟲害的番茄新品種。

這些野生番茄之所以可以抵抗病蟲害，是由於被稱為腺毛狀體的小型毛狀結構覆蓋了葉子和莖。漢森說：「這些腺毛狀體產生的醯基糖和其他化合物對各種各樣的害蟲都具有排斥或毒性作用。」

要將這種抗蟲害腺毛狀體的特性賦予經濟番茄，需要與野生品種進行「回交轉育」。漢森利用的是一種被稱為CLN3682C的優良番茄種系（一批具有某些特性的純種），該種系已經可以抵抗細菌性枯萎病、番茄黃化曲葉、根結線蟲和鐮孢枯萎。

漢森解釋道，雜交的作物經過篩選，可鑒別出那些具有野生品種特性以及優良種系特性的作物。如果對野生品種的抗蟲害特性進行基因測序，加速的只是挑選過程，而非監測基因表達，研究人員只能夠尋找基因或等位基因的存在，這就是「標記輔助選擇」。

被挑選出來的作物之後會互相雜交，雜交出的下一代會與優良種系再進行雜交，以此增加作物攜帶每一種理想特質的可能性。漢森說：「抗蟲害品種還必須能夠產出高質量、高產量的果實。」

這個過程對每個野生品種都要重複進行，因而需要時間。漢森說：「每一次雜交和選擇都要花費將近1年的時間。」他估計，大約要花5年的時間才能培育出具有抗蟲害特性的經濟番茄品種。

2016年，沙特阿卜杜拉國王科技大學的植物生物學家馬克?特斯特（Mark Tester）與博士生伊夫利納?帕耶（Yveline Pailles）研究發現，加拉帕戈斯番茄和契斯曼尼番茄在高鹽化土壤中也能茁壯生長。現在的目標就是培育出具有此種特性的經濟番茄種系。

特斯特說：「到目前為止，番茄是世界上種植最為廣泛的園藝作物，它們的生長需要大量的水。」經濟番茄的種植需要淡水，而淡水是一種日益有限的資源。「目前未使用的主要水資源是微鹹水。這正是我研究的動力。」特斯特估計，新型耐鹽番茄種系將在未來幾年內培育成功。

提高營養物質含量

研究人員也在努力提高番茄的營養物質含量。2003年，漢森及同事們在台灣發布了培育的兩個番茄品種，其維生素A的含量比普通番茄多6倍。漢森解釋道，該品種富餘的維生素A及其橙色外表，來自於一種叫作貝塔（Beta）的基因，該基因於1950年被發現存在於野生品種多毛番茄中。

漢森說：「我們希望我們培育的富含β-胡蘿蔔素的櫻桃番茄品種能夠推廣到宅園中，尤其是在孟加拉這樣的國家，該國民眾嚴重缺乏維生素A，尤其是兒童。」然而，該品種發布後最初的10年間，需求一直疲軟。漢斯把原因歸結於很難說服人們相信橙色番茄同他們熟悉的紅色番茄一樣優質美味。他說：「關鍵因素是創造消費需求。」但是資源的匱乏阻礙了他培育的番茄的推廣。

在美國科瓦利斯的俄勒岡州立大學，蔬菜育種學家和遺傳學家吉姆?邁爾斯（Jim Myers）也培育出了更有營養的番茄。他培育出了富含抗氧化劑花青素的紫色番茄。番茄育種家一直試著從各種野生品種中（包括類番茄、秘魯番茄、智利番茄、契斯曼尼番茄）培育出一種富含花青素的品種，但半個世紀以來收效甚微。曾於20世紀50年代培育出的品種「紫色斑點」僅能微弱地表達產生花青素的基因。

邁爾斯和他的團隊將智利番茄和契斯曼尼番茄進行雜交。邁爾斯說：「如果將這兩個野生品種的基因結合起來，那麼在色素表達方面就會獲得顯著提高——培育出像茄子一樣黑的番茄。」這就是「靛藍玫瑰」，每100克新鮮水果中包含10~30毫克的花青素，而普通番茄中是完全不含花青素的。

在美國，市場上能夠買到的「靛藍玫瑰」栽培品系有20多種，其中大部分都源自於邁爾斯培育的種系。

將野生品種的特性引入培育的經濟作物中是一個漫長的過程。為了加快進程，可以對被忽視的作物全部加以利用或者可以對經濟作物進行基因改良（即轉基因）。「靛藍玫瑰」番茄不屬於轉基因，因為邁爾斯僅使用了傳統育種技術。轉基因技術使得研究人員能夠將野生品種的基因直接植入作物中，大大提高了新品種的栽培速度。基因也可以源自不同的生物體，如細菌。阿姆斯特丹大學的植物遺傳學家弗朗西斯卡?夸特羅基奧（Francesca Quattrocchio）說：「從這個角度看，將新特性引入培育作物的可能性在原則上是無限的。」

然而，儘管轉基因作物在澳大利亞、美國及南美大部分地區都已被接受，在其他地方仍有不少人持反對意見。在歐洲和非洲的很多國家，轉基因作物要麼是禁止的，要麼必須通過一個嚴格的授權過程。在此過程中遇到的種種阻礙以及對轉基因使用者的限制使得通過轉基因來培育新品種所節省的時間變得毫無意義。

穩贏的賭局

然而，野生近緣種系中寶貴的遺傳多樣性處境堪憂。超過70%的野生近緣品種已被確認處於亟須保護的狀態。總體上，全球大約20%的植物物種瀕臨滅絕。

阿爾瓦雷斯認為，農業向自然生態系統的擴張是導致上述問題的主要原因之一。熱帶地區植物物種的瀕危程度是溫帶地區的兩倍。總部位於義大利的國際慢食協會致力於維護全球各個區域的傳統飲食文化，該機構副主席伊迪?穆基比（Edie Mukiibi）說：「這些植物和動物物種能夠存活和發展，原因在於它們很好地適應了一定的土壤環境。我們一定要保護生物多樣性，因為它代表的是幾千年來農業發展的精華。」

位於利馬的國際馬鈴薯中心通過成立秘魯土著文化中心網路，力圖就地保護馬鈴薯品種。該中心的植物遺傳學家塞韋林?波爾賴希（Severin Pohlreich）透露，該信息網路記錄了秘魯、玻利維亞和智利這3個國家裡擁有豐富多樣性的馬鈴薯各品種的位置。他說：「這個網路將有助於支持當地對全球最大的馬鈴薯基因庫的監測與保護，而這個基因庫就在多樣性中心。」

其他計劃項目則重點關注在自然棲息地之外對野生物種的保護。在世界各地，大約有1 750個基因庫以及植物園，擁有超過740萬種子或者來自成千上萬物種的植物組織。這些樣本有近90%都保存在國家基因銀行里。例如，遺傳資源中心（CGN，荷蘭瓦赫寧根大學的一部分）擁有目前世界上最大的且種類最為繁多的萵苣屬植物收藏。

為防止這些基因銀行中種子的丟失，斯瓦爾巴全球種子庫進行了備份。該種子庫位於挪威斯瓦爾巴群島上一座砂岩山的深處，可容納25億顆種子；目前存儲著超過88萬個樣本，其中包括全球的主要糧食作物。存儲的種子僅供緊急情況下提取使用——重大災難或是未來生物多樣性的逐步喪失。阿爾瓦雷斯解釋說：「每個基因銀行將自己收集的種子進行備份，並寄送給斯瓦爾巴全球種子庫。像你、我這樣的外部用戶無法向種子庫申請種子的提取，只有相應的基因銀行在緊急情況下才能提出申請。」迄今為止，唯一的一次種子備份提取申請是由國際乾旱地區農業研究中心（ICARDA）於2015年提出的。由於遭到戰亂的破壞，該中心將其基因銀行從敘利亞的阿勒頗遷至黎巴嫩及摩洛哥並進行重建。2017年2月，ICARDA又將15 000多顆種子的備份寄還給了斯瓦爾巴全球種子庫。

負責斯瓦爾巴全球種子庫的「農作物信託基金會」認為，對作物多樣性的保護是實現全球糧食及營養安全的一個至關重要的手段。該基金會與英國皇家植物園，還有世界各地的很多作物育種家和研究者一起主導了一項耗資5 000萬美元的針對農作物的野生近緣植物的研究計劃。這項為期10年的計劃發起於2011年，由挪威政府資助。「農作物信託基金會」的全球計劃負責人漢內斯?登佩沃爾夫（Hannes Dempewolf）透露，該計劃的目的是收集並保存29種主要作物的450多個野生近緣種系。從長遠看，該計劃旨在培育新一代的優良作物，使其具備一個或多個野生近緣種系的理想特性。在預育種項目計劃中，基因特質將會被分離並引入到育成品系中，這些育成品系相比於野生作物更易與經濟品種進行雜交。這種預育種項目已為19種野生近緣種系而制定，包括茄子和水稻。

無論是用來培育新的作物，還是更好地利用原來被忽視的作物，野生近緣種系的農作物看上去都是糧食危機問題的答案之一。夸特羅基奧說：「至少在轉基因作物獲得更廣泛的認可之前，野生品種的遺傳多樣性是目前最好的解決方案。」對此，阿爾瓦雷斯表示贊同：「農作物的野生近緣種系可以幫助我們繼續生產更為可持續的糧食，以滿足全世界對糧食的數量和質量需求。但首先，我們需要保護它們並確保它們的可用性。」

陳軼翔/編譯 來自：世界科學（World-Science）

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