作物遗传育种如何造福人类?这是一个必须明确的问题,包括6大方面

作者：曾志宏

来源：crop.org

在刚刚发表的关于植物育种的文章中，提到了作物育种对于人类耕作的“福利”，现在我们一起通过几个案例来探讨一下，作物育种是如何帮助耕种收获和消费者健康的。

产量（增加在相同数量的土地上安全生长的数量）---是科技实现的“多快好省“

大豆种植者面临挑战。已经证明难以开发具有高蛋白质和高产量的大豆品种。这两个特征是负相关的：当大豆产量高时，蛋白质水平趋于降低，反之亦然。

植物育种家 Brian Diers 及其同事在一项新研究中解决了这个问题。他们的初步结果表明，有可能在不显着降低产量的情况下培育蛋白质浓度较高的大豆。

“大豆种植者通常根据重量收钱”，伊利诺伊大学厄本那- 香槟分校的研究员Diers 说。“因此，种植者根据产量来种植哪些大豆品种。”Diers 说，如果高蛋白品种的大豆产量相对较低，可能不会被种植者选择。

在这项研究中，研究人员通过将蛋白质培育成两种不同的大豆品种来测试一种增加蛋白质的基因。结果很有希望。具有高蛋白质基因的两个品种的植物并且没有显示出产量的显着降低。

“这项研究也增加了我们对大豆中蛋白质浓度遗传学的理解，”Diers说。

大豆细胞中的 DNA - 如同所有植物和动物细胞一样- 被包装成染色体的结构。研究人员专注于位于 15 号染色体上的一个基因，该基因之前被证明会影响蛋白质浓度。

他们通过将基因培育成两个品种的大豆并测试蛋白质浓度和产量的品种，开发了含有和不含高蛋白基因的实验模式。

“我们发现 15 号染色体上的这个基因不断增加蛋白质浓度，”Diers 说。该基因使蛋白质浓度增加到每千克大豆 8 至 14 克。“这种基因可能是育种者在需要蛋白质浓度较高的大豆时的良好选择。”

他们没有观察到产量的显着降低。这与 20 号染色体上基因对蛋白质浓度增加的影响相反，他们降低了大豆品种的产量。

通过将其培育成两个品种来测试该基因。这很重要，因为“基因需要在不同品种间进行评估，”Diers 说。“有时基因只能在某些品种而不是其他品种中发挥作用。”育种者必须掌握这些信息以避免意外。

高蛋白，高产大豆品种对种植者和最终用户具有吸引力。豆粕中的蛋白质被认为是高质量的，因为它由相当均衡的氨基酸组成。“豆粕在动物饲料中补充玉米，”迪尔斯说。

Diers现在致力于生成更详细的 15 号染色体图谱。更精确的遗传图谱可以帮助育种者生成其他高蛋白质的大豆品种。

对病虫害的抵抗力--- “金刚罩“玉米

没有什么比发现你精心储存的玉米被昆虫啃咬更令人失望的了。收获后，玉米可能存储数月，是非洲，美洲和亚洲许多人饮食的重要来源。然而，在储存期间害虫侵扰可以严重伤害作物。

幸运的是，许多品种的玉米被选择性繁殖到害虫更难接近的品种。期刊“作物科学”上发表的一项研究中，SilverioGarcía-Lara和David Bergvinson讨论了玉米育种系列的细节，这些系列不仅能抵抗某些害虫，还具有潜在的健康益处。

“害虫是低收入农民的主要制约因素，特别是在发展中国家，”García-Lara说。“它们占粮食损失总量的近 40％。”

昆虫在田间或储存室啃咬作物，他们在潮湿，温暖的环境中茁壮成长，喜欢藏在尚未彻底清洁的旧储物箱中。他们躲藏起来，可以在几个月内摧毁一年的作物。

“害虫是粮食安全的真正问题，”Bergvinson 说。 “谷物受到严重破坏时，家禽都不吃。”

事实上，许多低收入农民在收获后立即以最低价格出售玉米，以避免不可避免的侵染损失。较富裕的玉米种植者能够更长时间地保持其作物并等待更好的价格。他们通过将其堆放在气候控制的储存筒仓中并对其进行昆虫损害进行监测来保护其作物。如果发现昆虫，则用杀虫剂熏蒸作物，这是一个危险的过程，具有许多相关的健康风险。

因此，我们需要天然抗虫害的玉米品种。

1995 年至 2007 年，García-Lara 和 Bergvinson 与国际玉米和小麦改良中心合作开发了抗虫害的玉米品系。

目标是玉米品种，让大型螟虫和玉米象鼻虫这样的贪婪害虫发现没有吸引力。其特征是内核具有厚的外层，昆虫无法挖洞。

特定的内核特征，如厚外层，也可以带来其他好处。“在过去的 15 年中，我们发现玉米籽粒中的抗虫性状与一些前所未有的营养特性有关，”García-Lara说。换句话说，这些作物既抗虫又更好。

“我们选择了具有厚外层的核心，这些核心可以作为害虫的物理屏障，”Bergvinson 说。厚厚的外层，称为果皮，也是营养丰富的，含有植物化学物质。

“这些植物化学物质可以帮助预防慢性疾病，延长预期寿命，并支持身体的结构和功能，”García-Lara 说。

将作物特征如果皮厚度与营养联系起来是作物育种领域的一个相对较新的概念。“我们刚刚开始了解植物的这些生化特性，”Bergvinson 说。“我们将从这些育种系列中学到更多东西。”

“我们的最终目标是减少农药负担以及其他影响健康的问题，”Bergvinson说。与此同时，这些抗虫品种可以帮助农民更长时间地保存。

适应环境能力如热，干旱，霜冻和含盐土壤---“豆刚强“

什么豆有小麦蛋白质的两倍，是大米的三倍，还含有益的氨基酸，维生素B 和微量营养素？当然是“谦虚”的蚕豆。

蚕豆有许多独特的特性。就人类消费而言，它们富含蛋白质和其他重要营养素。它们也可以极大地有益于土壤。与豆类脉冲系列的其他成员一样，蚕豆从空气中吸取有价值的氮，因此它可以被蚕豆和其他植物使用。蚕豆是执行此项服务的合格斗士。

此外，它们被视为覆盖作物。农民可以种植蚕豆，而不是让土壤裸露- 容易受到水和风的侵蚀。豆的根，茎和叶增加覆盖物并保护土壤。

大多数覆盖作物都是在秋季种植，以保护整个冬季的田地。然而，典型的蚕豆在寒冷的天气中表现不佳。

为了解决这个问题，胡和华盛顿州立大学的一组研究人员努力寻找冬季耐寒的蚕豆种质系- 一批具有遗传特性的种子，帮助它们在寒冷的环境中生存。研究人员从世界各地的 175 个种子样本开始。经过六年种植选定的种子后，四名幸存者出现了冬季耐寒的美国农业部植物抗寒区。

新的蚕豆类型为寻找其他物种的研究人员和育种者提供了资源。胡还补充说，随着气候的不断变化，这些类型的实验也可用于寻找具有耐热性或耐旱性的植物。

“下一步是让种植者和公司对我们的工作感兴趣，”他说。“我开始在华盛顿甚至加利福尼亚州与一些人合作。实验种子样本已经发送给其他同行观察试验。这种蚕豆绝对在全国市场占有一席之地。“

营养品质---田地“养生品“

什么是作物科学的营养质量？就是植物提供营养饮食的主要部分。它们是矿物质，维生素，纤维和能量的重要来源。许多常见的食物，如面包，谷物和面食，都是从植物成分中加工而成。甚至我们的动物性食物，如肉类，蛋类，乳制品和鱼类也依赖于植物。了解植物如何收集，生产和储存对健康有益的营养素是植物科学家的一个重要目标。

植物科学家在了解植物产品营养方面取得了巨大进步。植物中发现的维生素，矿物质和其他化合物的作用正在变得清晰。近年来，植物育种者一直在改良作物，使它们更有生产力，更有营养，更容易种植和收获。最近，植物科学家已经找到了使植物更有营养的方法。

贫穷国家的许多人缺乏健康所需的维生素或矿物质。此外，他们吃的食物通常来自营养缺乏的土壤。如果土壤缺乏营养，那么食物也是如此。世界上大约有 20 亿人患有隐性饥饿：足够的卡路里，但营养不足。可能导致失明，认知障碍，发育迟缓和过早死亡。

有几种方法可以解决这种营养不良问题。一种是提供维生素补充剂。另一种是强化食物。例如，您可能知道您在杂货店购买的面包和谷物是强化的。在这些例子中，食品生产公司为这些产品添加维生素和矿物质。

Howarth Bouis 与一组研究人员合作开发了实际含有更多营养的食物。假设你可以让植物从土壤中选择性地吸收更多的营养素- 如锌。其他科学家担心这会损害植物的产量，但研究小组发现它们可以增加锌的含量和产量。锌对健康的免疫系统，生长，伤口愈合，繁殖，生育能力以及味觉和嗅觉至关重要。

种植营养增加的食物的过程称为生物强化（Biofortification）。

另一个成功的例子是橙肉红薯。白肉甘薯是一些非洲国家的重要作物。与小麦，大米或木薯相比，它每餐提供更多的可食用能量。橙肉红薯来自传统的白色甘薯，但含有更多的β-胡萝卜素。结果是深橙色。我们的身体将β-胡萝卜素转化为维生素A.许多未开发或欠发达国家的人都缺乏维生素A.这可能导致失明和其他可预防的疾病。吃橘子红薯等生物强化食品有助于克服这些缺陷。

作物生理学家和分子生物学家帮助育种者开发具有改善的营养价值和较低水平的作物品种。他们一起揭开了开发这些进步的基因和生物化学途径。基因组编辑等新技术无疑将开发出新型营养强化植物。

科学家们正在寻找方法使种植者能够在同一块土地上生产更多的养分。营养增强的植物将在满足全球对安全，健康和丰富食物的需求方面发挥核心作用。

易于收获---“亭亭玉立”的“斑豆

斑豆是在美国种植的最常见的豆类，占所有食用干豆产量的三分之一以上。然而，收获它们是一项复杂的考验，现在，科罗拉多州立大学植物育种和遗传学教授 Mark Brick 领导研究人员。发布了一种新的直立斑豆（Long's Peak）。

Long's Peak 结合了直立式建筑，高产量，优良的种子颜色和重量，以及对常见锈病等多种疾病的抵抗力。Long's Peak 的直立式姿势使其收获更快，更便宜。传统上，美国的 pinto 品种具有“匍匐”的结构。 “他们最初会挺直的;然后在赛季中期，当他们开始展示豆荚的时候，它们会在地面上横向生长，“Brick 说。

收获匍匐豆是一个复杂的过程。收割机将豆类植物切割到地下，将它们拉出来，然后将它们放在田地上，以堆积的方式晾干。最后，联合收割机用于收获干豆。

“收获过程中的每一步都有可能粉碎豆类，降低产量，”Brick 说。此外，当豆类在田地里干燥时，它们仍会暴露在天气中，这会使种子变色，损害产量甚至完全破坏作物。

具有直立结构的豆类植物，例如 Long's Peak，可以使用联合收割机直接收获。这种一步式收割工艺可节省时间和燃料。它还通过减少豆类种子的破碎来增加产量，并降低因暴露于恶劣天气而造成损害的风险。

养殖一个直立的豆类意味着美好的豆类世界。“我们不得不在直立的热带类型与小种子和高地品种大种子之间进行杂交，”Brick 说。

虽然最初的杂交产生了一些具有直立结构的植物，但育种者对培育大种子有困难。

“种子大小是豆类品种适销性的重要特征，”Brick 说。研究人员使用了一种称为轮回选择的过程，他们继续将直立植物与小种子杂交，并选择具有最大种子的后代用于下一个繁殖周期。

“每一代杂交，你不仅可以慢慢地在种子大小和挺拔的姿势方面取得进展，还可以在其他特性如产量和抗病性方面取得进展，”Brick 说。

Long's Peak 已经有很长一段时间了。Brick 和其他美国研究人员已经工作了三十多年，生产出具有大种子，高产量，良好颜色和抗虫性的直立斑豆。“植物育种者是耐心的人，” Brick 说，“只要我们看到一点点进展，我们就会坚持下去。”

干豆是一种营养丰富的食物，是发展中国家大部分地区的重要蛋白质来源。豆类还提供膳食纤维，有助于维持消化系统健康，并可防止发展某些类型的癌症。豆类也带来其他健康益处，例如降低血液胆固醇水平和减少肥胖。

味道，颜色和质地---米饭“革命“？

如果送给你一碗热气腾腾的紫米饭，你会吃吗？

我们大多数人习惯于将白米或糙米作为我们饮食中的主食。但根据植物专家Anna McClung 的说法，也许我们有更好的选择。”

麦克伦知道她要的米饭。她是阿肯色州斯图加特 Dale Bumpers 国家水稻研究中心的主任，其任务是维护和改善国家水稻品种。

该研究中心策划了一个超过 180，000 种水稻“图书馆“。McClung 和她的同事是水稻收集的守护者，也是自然遗传多样性的探索者。他们确定了有用的特性，如抗病性，高产量和抗虫性。他们使用传统的植物育种来混合和匹配水稻品种，以最大化这些特征。就像传家宝西红柿经过几代农民一样，水稻品种被精心保存或与其他品种杂交以捕获有利的基因。

米饭有各种各样的颜色：红色，棕色，黑色，是的，紫色。在商店和餐馆中普遍存在的普通白米饭已被剥去其麸皮层。麸皮是坚硬的外层。去除麸皮意味着失去米饭的颜色，营养，纤维和蛋白质。剩下的主要是淀粉，它很快会分解成肠道中的糖分。

“由于健康问题，美国已经从白米转移，” McClung 说。“我们正在研究可以提供营养的水稻品种。”这对水稻育种者来说是一个挑战，特别是如果这些更健康的水稻品种不像传统的米饭那样美味，或者需要更长时间的烹饪。

为了实现健康与品味的完美平衡，McClung 获得了紫米饭。特别是一种被称为“IAC 600”的品种，来自巴西的合作者。这种大米起源于中国，在这里，紫米饭作为一种健康的品种受到了几个世纪的崇敬，为特殊场合和病人服务。像许多高度着色的食物（想想蓝莓和葡萄）一样，紫米含有丰富的抗氧化剂。抗氧化剂是抵抗自由基的化学物质，自由基会破坏细胞并导致癌症和其他健康问题。紫米饭富含抗氧化剂，可与西兰花和其他广受好评的抗病食品相媲美。

米饭也很好吃。“IAC 600 不仅是一种深沉，华丽的紫色，它还是我曾经吃过的最好的米饭，”McClung 说，“它的香气像巴斯马蒂米，味道浓郁。”

将紫米送到商业市场的最大障碍之一就是它的维护成本非常高。在生产- 种植，收获，加工，包装的每一步都必须与其他大米隔离。如果与其他品种混合，米饭的身份就会受到损害。生产者不一定想承担保持大米被隔离的风险和麻烦。由于大米是一种全球贸易商品，因此成熟的水稻利益相关者对促进独特的水稻品种不感兴趣。

McClung 希望紫米能够小规模地渗透到市场。它色泽丰富，香气浓郁，含有高水平的抗氧化剂，使这款米饭特别鲜美。小农正在试验它。鼓励厨师在菜单上添加紫米饭也有助于提升的消费者的胆量。

McClung说，探索有趣的大米类型可以多样化我们的口味并改善我们的健康，“我们正在努力打开新品种的大门。” （完）

作者BIO：曾志宏（Wechat-1638881963）：Freelance, 北科大毕业，新加坡国立大学MBA，曾服务于GE，Rolls-Royce，JCI，Whirlpool，网络自媒体写手，致力于新技术和新应用传播和推动，关注物联网，绿色物流，区块链，智慧农业和智慧城市等。