來源：中國科學報
作者 | 唐鳳
到2030年，全球的糧食需求量将增加50%;到2050年，地球将需要為90億人口提供食物。在氣候變化和極端天氣情況下，保持全球食物供給以及增加農作物的産量是人類面臨的巨大挑戰之一。
也許不必等到10年後，人們就已面臨糧食問題。
3月7日，津巴布韋公共服務、勞工和社會福利部常務秘書朱迪絲·卡泰拉表示，由于幹旱導緻糧食歉收等原因，預計該國今年将有超過700萬人面臨糧食短缺，占全國人口的40%以上。
而面對有限且往往劣質的耕地，人們如何保持和提高作物産量以應對這一重大挑戰呢?
近日，英國駐華使館和英國國家科研與創新署中國處共同組織的科學大爆炸系列活動“未來農場該怎樣喂飽全球的人口?”在京舉行。
來自諾丁漢大學的3位生物科學家聯袂帶領觀衆走過11000多年的農業複原力情景之旅，從有效的育種策略、進化基因組學到這些科研方法帶來的研究倫理挑戰，展示了野生親緣植物和作物起源的知識，以及如何結合現代科學和技術創造人類可持續的未來。
永恒的氣候議題
近日，刊登于美國《國家科學院學報》的一篇論文顯示，到2040年，全球多達14%的種植小麥、玉米、水稻和大豆的土地将變得更加幹燥，而多達31%的種植這4種作物的土地将變得更加濕潤。
研究人員稱，盡管部分地區降水量的增加可能意味着産量增加，但考慮到海平面升高、氣溫升高和洪水風險增加等因素，這些地區的農作物産量未必增加。
實際上，科學家目前已就氣候變暖尤其是極端天氣增加将改變糧食産量、質量和病蟲害分布，從而對糧食供應體系産生影響和沖擊，同時未來全球糧食供應體系将變得更脆弱和低效等問題達成共識。
克蘭菲爾德大學教授傑裡·諾克斯曾表示，氣候變化會導緻氣溫、降雨量和土壤濕度等産生變化，改變糧食作物對土地的适應性、生長周期、水和能源需求等，從而嚴重影響到農田使用和作物産量，尤其對低緯度和熱帶地區的作物産量危害更甚。
“作物對氣候變化的恢複能力是全世界迫切需要解決的問題。預計到2050年，将有90億人在地球上生存，這就需要大量增加糧食産量。這帶來的挑戰之一是盡管淡水、耕地等減少，但我們仍需保持農作物産量。”諾丁漢大學醫學與健康科學學院進化基因組學副教授Levi Yant在本次活動上說。
因此，正如以色列希伯來大學教授Aliza Fleischer所言：“各國必須加大科技創新，增加農業适應氣候變暖的能力。”
“未來，農業的發展方向一定是向科技化、機械化方向邁進。”中國工程院院士吳孔明也曾指出，要加強信息技術的研發和應用，通過機械達到單粒播種、單株施肥、精準診斷，以提高生産率，降低化肥使用率、減少成本。
始于花粉 走向野外
農業的主要對象之一是作物。
“了解控制植物發育的基本機制将有助于制定基于知識的作物改良戰略，應對全球糧食安全的挑戰”。諾丁漢大學理學院科研創新助理副校長Zoe Wilson告訴《中國科學報 》。
植物果實始于一顆小小的花粉。作物産量的可持續性，側重于花卉發育和植物繁殖，特别是花粉和花藥形成。
有數據顯示，全球85%的農作物種類依賴昆蟲授粉，昆蟲授粉産生的經濟價值占全球農作物總産值的9.5%。
Zoe研究組目前側重于花粉研究，希望通過有效的育種策略和優化/控制作物中的花粉育性，提高作物産量，并用于育種和雜交開發。
例如，“我們對于非生物脅迫對花粉發育的影響以及環境脅迫對作物肥力和産量的破壞性影響十分感興趣”，她說，“非生物脅迫可導緻花粉發育失敗，從而導緻作物産量和生産力損失”。
該研究組使用在花粉發育的各個階段都有缺陷的突變體研究參與花粉發育的基因網絡，涉及遺傳作圖的定位、熒光蛋白定位、轉錄組學、調控靶标的直接分析和酵母雙雜交相互作用等領域。從拟南芥研究入手，現已擴展到水稻、大麥、小麥以及百合和熱帶物種。
相關論文刊登于《新植物學家》《植物細胞》等期刊。
“我們目前正在使用系統方法構建和開發監管網絡，并通過表達分析、相互作用和敲除研究對所得網絡進行功能測試。”Zoe說，“對非生物和生物脅迫的影響，以及激素對高等植物生育力作用的研究也在進行中。”
另外，Yant提到，野生植物種群可能給人們不一樣的視角。“适應無處不在。”他告訴《中國科學報》。
“我們有時會看到無關物種的相同變化。例如，蝙蝠和鳥類都進化出翅膀，但蝙蝠是哺乳動物，鳥類來自恐龍。而它們的DNA也會發生類似變化嗎?換句話說：是否存在大的進化變化的‘熱點基因’? ”Yant說，這就需要從野生植物種群入手，了解它們如何進化以适應環境和生理挑戰。
Yant小組使用創新的群體基因組方法确定已進化群體的特定變化，并找到影響進化的候選基因和過程，通過了解植物或動物種群如何在極端條件下進化，提供了對适應全球社會利益的分子機制的理解。
例如，某些植物種群能在純海水中生長，而同一物種的近似種群卻對鹽度不耐受。
“這些系統有助于我們了解進化變化，并為在景觀退化和氣候變化背景下進行合理作物設計提供指導。”他說。
為誰辛苦為誰甜
另一方面，面對農業發展的嚴峻挑戰，建設現代農業還應重視農業發展的倫理問題。
歐洲農業和食品倫理學會主席、諾丁漢大學應用生物倫理學中心主任Kate Millar指出，促進農業發展、消除饑餓，讓人類擁有美好的未來，是農業技術發展的初衷和落腳點，因此農業食品/獸醫必須在倫理框架下進行。
Millar在分享歐洲在應用倫理和技術評估，特别是農業食品/獸醫倫理和研究領域面臨的挑戰、應對和經驗的同時，為了讓聽衆更好地理解農業技術的道德框架，還在演講中加入了一個觀衆投票環節，問題涉及研究目标、基因編輯、包容性創新等諸多方面。
“我希望諾丁漢在食品倫理方面的專業知識可以為中國農業食品研究所的研究人員、行業和政策制定者提供借鑒，幫助制定标準，并開發與公司治理相一緻的産品價值鍊。”Millar說。
中國工程院院士任繼周曾在《中國農業倫理學導論》式上表示，農業工作者倫理學知識欠缺，對社會和人的健康安全關注不夠，存在超量施用化肥和農藥等問題，食品安全問題、轉基因等高科技的風險性，也都需要從倫理角度應答。
“農業倫理探讨了人類對自然生态系統農業化過程中發生的倫理關聯的認知，新時代的農業倫理核心應聚焦于農業生态系統的生存權與發展權。”他說。
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