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水稻基因库为全球粮食安全带来曙光

2019-01-02 23:08:22

  Flora De Guzman撕开一扇拱顶门上的封条,打开一条缝隙,一股干冷的空气呼啸着从门缝中袭来。在气闸后面是一个恒温为零下20度的房间,里面摆满了一架子一架子的密封铝罐,里面装着世界上最被低估的资源之——保存了13万多种水稻的样本。

  过去40年来,De Guzman一直在洛斯巴诺斯国际水稻研究所基因库工作。有些样品在这里存放的时间比我在这工作的时间还长。我们已经知道了时间的价值,她说。

  IRRI位于马尼拉以南几个小时车程的地方,是一个独特的全面的水稻基因多样性数据库,全世界有超过30亿人依赖这种作物裹腹。来自世界各地不同品种水稻的种子被收集起来,经过手工分类,来确保它们的纯度,并储存在储藏室里,在这里它们可以保存50年或更长时间。

  来自公共或私人部门的研究人员要求获得样本时,需象征性地交一点费用,这样他们就可以将研究所的品种与自己的品种杂交。但在过去几年里,随着气候变化导致更不稳定和更极端的天气,使得农民迫切需要能够抵御干旱、洪水和害虫的水稻品种,该基因库的任务变得更加紧迫。与这些重要特征相对应的基因在这个基因库中都可以找到。

  气候变化是对粮食安全的最大威胁。全球作物多样性信托基金会执行董事Marie Haga说。Haga说:为了在未来养活世界众多人口,我们需要让养活我们的主要作物适应新的环境。基因库中作物的多样性是我们培育能够应对极端气候的植物所需的原材料。

  全球科学界的共识是,除非采取紧急行动,否则地球目前的气温将比前工业化时代至少高出1.5摄氏度。2016年,各国政府同意采取措施减少碳排放,防止气温进一步超过这一水平,但进展缓慢。目前的预测显示,如果不采取重大行动,世界气温可能会超出目标。

  气温若照这样的速度上升可能对全球主要农作物产生严重影响,它们的脆弱性部分源于它们的同质性。众所周知,这些单一栽培是20世纪60年代和70年代称之为绿色革命的遗物。绿色革命的基础是开发出产量高、对氮肥施用反应良好的各种谷类作物。

  绿色革命的品种非常成功,迅速取代了传统品种的相同作物。农作物产量的大幅增长阻止了发展中国家不断演变的粮食危机,并为当今南亚、东南亚和拉丁美洲的农业经济奠定了基础。然而,新品种的成功在全球粮食系统内造成了新的脆弱性。这些作物很好地适应了它们所种植的条件,但当这些条件发生变化时就无法很好地适应。

  单一栽培也容易受到新害虫的出现,这些新害虫可以在基因相同的种群中迅速传播。全球种植的香蕉中,近50%是卡文迪什香蕉品种——种19世纪生长在英国的香蕉克隆品种。这种作物现在正面临一种新出现的巴拿马病的威胁,这种真菌在20世纪50年代几乎消灭了另一种香蕉品种大米歇尔。

  气候变化的影响已经在重要的水稻种植区显现出来。在以雨水灌溉为主的老挝,近年来严重的干旱导致水稻减产。在孟加拉国,严重的洪水在2017年冲走了大面积的稻田,而沿海地区也遭受了海水侵蚀,损害了农作物。在湄公河三角洲--越南一半以上的水稻产量都来自该地区,洪水、干旱和海水的入侵,共同影响了水稻产量。

  多年来,水稻育种家一直试图培育出能够抵抗这些非生物胁迫的品种。然而,由于天气模式变得越来越不可预测,确保农民在合适的时间拥有合适的耐压品种变得相当困难。

  在早期我们试图改善品种承受单一压力的能力,所以我们培育出了耐旱或耐洪水品种,但现在我们意识到培育只能抵抗一种压力的品种是远远不够的,因此我们正在尝试培育一种能够同时抵抗多种压力的作物。IRRI越南气候变化专家Bjoern Ole Sander说。

  在洛斯巴诺斯水稻库中冷却的样品中包含了使水稻作物适应这些新条件并使它们具有抵御未来挑战的能力所需的特性。负责基因库的进化生物学家Ruaraidh Sackville Hamilton表示,气候变化是一个迫在眉睫的威胁,但基因库必须从几十年甚至几百年发展的角度来考虑。这就是经济学家所说的选择权价值。

  近年来,这种选择的价值变得越来越容易衡量。基因测序技术变得更快更便宜,改变了研究的经济学。第一个水稻基因组序列的编译成本约为10亿美元。Hamilton说:今天,完成一个相当不错的序列大约需要1000美元。测序成本的下降已经超过了摩尔定律。

  这意味着研究人员有更大的能力将基因与特定特征匹配。基因库已经对3000个样本的基因组进行了测序,这些样本被称为序列。如果测序的成本进一步下降,那么整个基因组的测序成本也会下降。

  在此之前,我们几乎是随机决定选择哪些品种进行评估,看看它们是否具有价值,这是一个非常困难的过程。现在有了3000个测序的基因组,很容易就能收集到农学价值的数据,并与序列数据进行比对,Hamilton说

  基因编辑技术利用酶来修饰或将DNA插入基因组,它的出现有望使这一过程更加有效,使研究人员能够更快地原型化各种基因,从而证明单个基因对应的是哪一特定特征。

  随着气候变化的有害影响已经在世界各地显现出来,随着几个主要经济体不愿限制导致全球变暖的碳排放,基因库的选择价值变得越来越大、越来越明显。去年10月,全球作物多样性信托基金)每年向该金库提供140万美元的永久资助,以确保其样本在可预见的未来乃至更远的将来都能得到保护。

  我认为,公平地说,作物多样性可能是最重要的自然资源之一,但目前基本上还未被意识到。我们必须做点什么。Haga说。

  在过去的100年里,我们失去了太多的谷物品种,所以现在我们必须要提高重视。因为每失去一种作物,我们就失去了多种未来的选择。

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