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科学家们寻找作物的野生亲缘种,应对更恶劣的气候

科学家们寻找作物的野生亲缘种,应对更恶劣的气候

  美国加州大学戴维斯分校正在进行鹰嘴豆的前育种活动。前育种是将野生亲缘种与驯化作物杂交,以转移有用性状并去掉不需要性状的过程。

  供图:UC DAVIS,CROP WILD RELATIVES

  在西非以外的地方,人们可能对班巴拉花生不太熟悉。班巴拉花生富含蛋白质,能在恶劣的气候和贫瘠的土壤中生长。班巴拉花生位列全球范围内寻找粮食作物种子的优先清单上。在不断变暖的地球上,这些种子可能会起到“救生员”的作用。

  在过去的六年里,100多名科学家穿越荒野,躲避冲突、洪水和毒蛇,寻找到28种对世界粮食安全至关重要的食物和饲料作物的野生亲缘种,这些物种都失散已久。

  科学家们的足迹遍布25个国家,从秘鲁的山区到地中海岛屿塞浦路斯的田野,搜寻那些瘦弱的、被忽视的而又能在野外生存植物。他们的发现于近日发表,该发现填补了一个全球基因数据库的空白,该数据库可用于缓冲全球粮食供应,使其免受气候变化对天气的不稳定影响这一严酷现实的影响。

  这是一项紧急任务。国际气候变化委员会称,粮食?;诒平?,与气候变化有关的洪水和干旱已经影响了粮食的供应和价格。近期的一份报告警告说,未来30年,全球的农作物产量将下降30%。水资源短缺给食物系统增加了压力,威胁着小麦、玉米和大米的供应——这些食物占了我们所摄入热量的一半。

  上述三种主食是科学家们此次探险的目标,此外还有班巴拉花生、草豆、穇子等野生作物——在其产地之外鲜为人知的作物。其余的食物包括大麦、茄子、胡萝卜和车前草。

  我们的目标不是取代我们现在吃的东西,Hannes Dempewolf说,他是管理这个10年项目的国际组织全球作物多样性信托基金(Crop Trust)的高级科学家和该全球项目的负责人。

  “我们和自己的食物都建立了深厚的关系,由于不同作物的文化运作机制,很难完全取代某些作物,”Dempewolf说。

  科学家们试图通过育种过程帮助农作物变得更强壮、适应性更强,这个育种过程利用从那些经受过干旱、盐碱环境或疾病考验的野生作物借来的基因调整普通作物。

  将如此多的农作物纳入研究,可能会使我们在面临灾难性的气候变化时,有更多可以依赖的食物选择。有些作物只在部分发展中国家起到重要作用,另一些则在全世界都很重要。

  “坦率地说,甚至夸张地说,10-20年后我们仍能享用面包的原因,很可能是因为这个项目帮助?;?/a>了以前未得到?;さ男÷蟮囊吧自底魑?,”Dempewolf说。

  充实基因库

  保存或操控种子并不是什么新鲜事。不过,随着时间的推移,驯化已使栽培植物的遗传多样性减少,使我们所依赖的作物更容易受疾病和极端气候的影响。面对不确定的未来,科学家们开始重新关注大自然丰富的基因库,试图再次为食物系统注入活力。

  这次搜救行动是一个更广泛行动的一部分。一个由1750家种子银行组成的全球网络已经收集了大量的种子和其他植物材料。最著名的是挪威的斯瓦尔巴种子库,该种子库是全球种子多样性的终极备份计划,其中储存了驯化作物和野生作物的种子。

科学家们寻找作物的野生亲缘种,应对更恶劣的气候

  科学家们在厄瓜多尔寻找土豆、茄子、水稻和甘薯的野生亲缘种。

  供图:L.M. SALAZAR,CROP TRUST

  近年来,人类越来越重视?;ぶ肿拥墓ぷ?,一个由11个国际种子库组成的有组织系统已经成立,每个种子库都有自己的特色:比如秘鲁的土豆、菲律宾的水稻、叙利亚的旱地谷物。

  不过,种子库搜集的种子并不完整。研究团队首先会竭力地检查现存的种子,以确定哪些物种没有得到充分的代表或者缺失,以及在哪里可以找到它们。

  在长达6年、3000多天的探险之旅中,科学家们共采集了来自371个不同物种或亚种的4644个样本,接近目标样本的80%。

  优点和不足

  班巴拉花生是一个成功的故事?;蚩庵忠恢种匾镏值囊吧自抵秩笔Я?,科学家们在探险过程种从尼日利亚找到了17个样本,“包括一些很难找到的样本,”Dempewolf说。

  这种顽强的坚果主要由西非的小农场主种植,能够经受高温和干旱的气候,在贫瘠的土壤里生长良好。班巴拉花生可以当作零食生吃,也可以烘烤着吃,或加工成其他食物。班巴拉花生可能是那些有望成为未来食物的不起眼作物之一吗?

  “我非常了解班巴拉花生,它是许多国家的重要作物,包括刚果、马达加斯加、乍得和贝宁,” 非盈利组织种子系统组织的负责人Joe DeVries说,他已经在非洲的种子部门工作多年。

  他说,问题在于现代育种工作忽视了班巴拉花生。因此,班巴拉花生的产量仍然很低。

  草豆在南亚和东非部分地区很受欢迎,这种作物能够经受干旱气候,并在需要的时候提供食物。不过,如果吃得太多,成人膝盖以下的部位就会有瘫痪的风险,儿童也有脑损伤的危险。在巴基斯坦进行的一次搜索活动中,科学家们找到了草豆一种毒素水平较低的野生亲缘种,增加了创造更安全品种的希望。

  清单上的其他地方食物是一些更常见的作物,比如东非的穇子,印度次大陆的木豆。研究团队在秘鲁和厄瓜多尔发现了三种野生马铃薯,而利马的国际基因库中都没有保存。他们在葡萄牙发现了胡萝卜的一种野生亲缘种,这种胡萝卜在盐碱地、干旱土地都能很好的生长,目前研究者正在孟加拉国和巴基斯坦进行育种工作。此外,科学家们在从亚美尼亚到塞浦路斯和黎巴嫩的广大地区都发现了抗白粉病的野生燕麦,这种病会对驯化农作物造成严重破坏。在肯尼亚,科学家们发现了茄子的四种野生亲缘种,基因库中尚未保存这些物种。

  不过,也不全是好消息。有时,研究团队来的太晚,无法及时拯救濒危物种。Dempewolf在尼泊尔发现了野生水稻物种,然而已经因人类造成的栖息地变化而死亡。 “对我来说,这可能是最直接、最迫切地提醒,让我明白这项工作多么重要?!彼?。

  同时探险旅程也是一次冒险。在尼日利亚,采集者们不得不避开洪水和博科圣地组织的叛乱??蒲Ъ颐窃诙蚬隙喽⑾至艘恢趾奔囊吧酒分?,为了躲避毒蛇咬伤,大家都穿上了带有金属尖的齐膝靴子。在意大利,找到一种带有可食用块茎的豌豆的希望正在破灭,直到一位当地的研究人员碰巧透过火车窗户发现了它(他在下一站下车)。

科学家们寻找作物的野生亲缘种,应对更恶劣的气候

  图为位于英国皇家植物园的千年种子银行。

  供图:ROYAL BOTANIC GARDENS,KEW

  英国皇家植物园千年种子银行的项目协调人Chris Cockel说,除了珍贵的样本,当地科学家还发现了他们通?;岷鍪拥囊安莸男录壑??!八侵杂腥?,是因为它们一直在边缘地带生存,不受任何人类的影响?!彼?。

  培育更顽强作物的道路很长

  每一批被拯救的种子,有三分之一保存在之前采集的国家。其余的被迅速转移到位于英国皇家植物园的种子银行,那里保留着原始的样本,但会根据要求分发样本。Cockel已经向9个国家的基因库发送种子,此外还有3个国家在等待发货。

  基因库的育种人员利用这些种子培育尝起来和看起来都像我们知道的食物,但却有生存优势的品种,这也是野外生存带来的优势。一切要从“前育种”开始,这是一个艰苦的过程,需要将野生亲缘品种与驯化品种杂交,转移有用性状,过滤掉那些不需要的性状。目前,科学家已经对19种野生亲缘作物进行育种处理。不过,在农民可使用的认证品种被创造出来之前,还需要漫长的等待——从10年到20年甚至更长的时间。

  这种在自然栖息地之外保存和繁殖种子的方法也受到了批评。一些人认为,这种方法无法涵盖所有需要保存的物种。另一些人认为,种子银行在远离种子自然栖息地的地方对其进行保存,因而更倾向于满足研究人员的需要,而不是小农场主的需要,而小农场主也能?;ぶ肿佣嘌?。全球作物多样性信托基金指出,他们的工作不仅丰富了基因库,还分享了根据联合国粮食和农业植物遗传资源国际条约收集的种子。

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  一粒野生胡萝卜种子的彩色扫描图像。探险队的研究人员在葡萄牙发现了一种野生胡萝卜,这种胡萝卜可以在高盐分的土壤中生长,目前科学家正在孟加拉国对其进行育种处理。

  摄影:ROB KESSELER

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  一些种子的X射线照片。

  供图:CROP WILD RELATIVES

  DeVries说,在很长一段时间里,将野生亲缘种与驯化作物杂交已经悄然改变了我们种植和食用的作物?!叭绻颐敲挥幸吧自抵值南执嫖镏?,我们就无法完成杂交育种实验。这是一项非常重要的工作,作为一名作物遗传学家,得知这项工作仍在进行中我很高兴,”他说。

  目前,项目的种子收集工作已经完成,整个项目将在明年完成。为该项目提供资金的挪威政府正在就筹集更多资金进行谈判。

  “就目前的情况而言,我们还有很多工作需要做,”Cockel说。

  我们仍缺少大量野生亲缘种,而目前采集到的种子并不能描绘出一幅完整的画面。

  与此同时,育种者和研究人员都可以获取已经采集的种子。团队中存在一种紧迫感。Dempewolf说,他们会在前育种结束前召集农民提供帮助,这是一个非常规的举措,旨在缩短?;ず团嘤皇芷蛴跋斓淖魑镏涞氖奔??!罢馐俏颐欠浅P朔艿氖虑??!?/p>

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