超級作物賽事正酣

擁有這一特征的植物在全球范圍內有著巨大的需求潛力，以增加糧食產量以及維持可持續發展。

發展中國家的農民或可受益于營養高效的農作物。

Jonathan Lynch喜歡透過表面向下看。在其尋求培育更加優質農作物的道路上，這名植物生理學家花費了大量時間挖掘植物的根系，了解是什么讓一些作物種類可以更好地從地下汲取營養。Lynch希望利用這種技術培育出具有超高效根莖的植物，因為這類植物能夠在發展中國家貧瘠的土壤里很好地生長，而且它們也能夠減少富裕國家的化肥用量。

去年，Lynch對土壤的挖掘取得了回報。他在美國賓夕法尼亞州立大學的團隊報告稱，他們研發出一系列能夠讓植物更加高效地從土壤中汲取磷的四季豆。在試驗田中，這種植物的產量是傳統四季豆產量的3倍。

這一研究成果給非洲帶來了希望。在非洲，四季豆是窮人獲取蛋白質的最重要途徑之一。莫桑比克的研究人員現在正測試Lynch的豆子在該國生態區域成長狀態如何。他們希望獲得監管許可，使這種植物在明年上市。

Lynch的豆子研究是全球培育適應貧瘠土壤作物的首批成功嘗試。其研究之所以顯得更加突出，是因為他采取了一種“老式”的方法。他帶頭使一些傳統作物育種技術重新走上復興之路，這些技術要依賴仔細檢驗植物的生理特征，然后選擇出合乎要求的特點，比如根系的生長和長度等。令人驚奇的是，這種途徑似乎會超越高科技途徑。

隨著全球人口到2050年增長到100億，“節約型”的莊稼對于供給全球人口糧食需求至關重要。“擁有這一特征的植物在全球范圍內有著巨大的需求潛力，以增加糧食產量以及維持可持續發展。”德國哥廷根大學農業經濟學家Matin Qaim說。

神奇的豆子

Lynch表示，他在找到哪些根部特征可以幫助四季豆在低磷土壤中生長之前，曾“在黑暗中摸索”了許多年。檢查根系特征是一件凌亂而棘手的事，因此在研究人員中并不受歡迎，他說。這也是此前的研究集中在作物萌芽而非根系的原因。他的團隊挖出植物以解釋哪些特征是有益的，還要花費很大精力避免損傷那些脆弱的組織。

在Lynch看來，成功的關鍵是打開思路，了解根系的形態。“我告訴學生，在進入大田之前應該丟掉手里的肥料試劑，仔細觀察植物，讓它們告訴你自己在做什么。”他打趣說。

讓Lynch及其團隊感興趣的是根系的深度，他們知道磷通常會出現在土壤的更上層。研究人員去年報告稱，長有基生根（接近植物基部）的豆苗如果生長在較淺的土壤中，其比基生根更深的豆苗的生物質能產量高出58%。該團隊還發現，擁有較長根須的豆苗能夠更好地吸收磷，使產量比根須較短的豆苗增加89%。當研究人員將豆苗根系的這個特征與普通豆苗相結合之后，他們獲得了更高的產量。在莫桑比克的田間試驗中，磷元素貧瘠的土壤中生長的根系較淺、根須較長的豆苗，每公頃產量為1500公斤，而當地的豆苗產量為每公頃500公斤。

研究中面臨的下一個大挑戰是提高豆苗的抗旱能力，同時維持其在低磷土壤中的產量。這一技術之所以棘手，是因為存在水資源壓力的作物需要更深的根系，這與其需要吸收磷的特征相反。希莫尤市莫桑比克植物研究所植物生理學家、與Lynch開展合作的Magalhaes Miguel說。Miguel正在該國不同的地點對這種豆子進行測試，以爭取獲得批準，讓種子公司可以生產及銷售這種豆子的種子。

其他研究團隊也在采取不同的方式培育化肥用量少的作物種子。過去6年，位于墨西哥州特斯科科市的國際玉米和小麥改良中心（CIMMYT）利用常規育種培育的玉米，在氮元素貧瘠的非洲土壤里長勢良好。

繁榮與蕭條

當Lynch和CIMMYT大踏步前進時，他們同時也代替了在轉基因作物領域投資多年的農業生物技術公司的角色。

加拿大阿爾伯塔大學植物生物學家Allen Good曾花費數年和公司合作，開發需要很少肥料的轉基因作物。但他表示，這種技術并不像傳統技術那樣富有成效。其中的問題是，有大量基因與營養吸收和利用有關，而環境變化會改變它們的表達。

曾參與早期實驗的Good對那些令人興奮的日子記憶猶新。2001年，他在加利福尼亞州缺氮實驗田的轉基因油菜田和傳統油菜田里忙前忙后，看到在同樣壓力環境中，轉基因作物長勢更好、顏色更綠，而傳統油菜幾乎難以存活。轉基因作物的優勢在于一個基因：來自大麥的丙氨酸轉氨酶（AlaAT）。

“我當時想，‘天哪，快來看看這個基因在大田里的影響。’”Good說。2001年的這次實驗由加州戴維斯農業生物技術公司阿凱迪亞生物科技運行，當時Good擔任其咨詢專家，他將AlaAT 的發現授權給了該公司。此外，在與密蘇里州圣路易斯生物技術公司孟山都的合作中，實驗田的成果表明，在低氮條件下，轉基因油菜籽比傳統油菜籽產量高出42%，而且如果與未經修飾的作物相比，轉基因作物實現相同產量所需要的氮肥要少40%。

阿凱迪亞公司稱，他們已經成功將該基因轉化到小麥、大米等其他作物中。“我們公司有著業內最強的高效氮肥項目。”阿凱迪亞首席運行官Roger Salameh說，“我們在全球種植面積最廣的兩種作物——小麥和大米的實驗中有著多年積累的數據，我們正在實現兩位數的產量增長。”

盡管實驗結果很樂觀，阿凱迪亞公司目前仍未對上述作物或是相關的作物進行商業化。該公司希望今年能夠推動一種可高效利用氮肥的轉基因小麥上市，但其可能會錯過這一目標。Salameh表示，很難確定這種作物什么時候才能萬事俱備，但該公司正在與法國圣博齊爾種業公司蔬菜部合作，推動轉基因小麥商業化。

從理論到實踐

盡管一些研究者對若干種轉基因作物取得的成效印象深刻，但Good聽說，轉基因油菜有些“叵測”，即該作物在一些環境中表現良好，但在另一些環境中卻并不見效。他已經喪失了對其最初的欣喜，表示如果可以重頭再來，他將會像Lynch和CIMMYT一樣，把大多數精力用在傳統育種上。

Good并非唯一擔心轉基因作物不能像預期那樣取得成效的人。2012年，CIMMYT在提高低氮土壤玉米產出的實驗中，除了實驗傳統育種技術培育的玉米之外，還啟動了轉基因育種實驗。該轉基因作物基于杜邦先鋒公司提供的一種技術。該技術的確提高了作物產量，但不足以證明其帶來的巨大利益能夠獲得監管批準，帶領CIMMYT內羅畢玉米實驗項目的玉米育種專家Biswanath Das說。該轉基因項目現正處于評估階段。“其產量收益并沒有讓人激動到推行商業化的地步。”

轉基因作物面臨的一個關鍵挑戰是，諸如氮高效利用等特征會受到一張復雜基因網的影響，不僅在基因之間，而且還會與環境發生相互作用。“很難拿到一個基因，將其嵌入一種玉米，然后期待能產生巨大效益。”Das說。