全球气候变化、人口增长以及日益膨胀的城市化和发展带来诸多挑战。自 2014 年成立以来,麻省理工学院(MIT)的安利捷水和食品系统实验室(J-WAFS)因其开创性的工作备受全球关注,该实验室帮助解决水和食品领域的挑战。

食品的未来:基因组编辑作物抵御热浪

作者 Robert Sakai-Irvine,《The Mainichi》特约撰稿人

The Mainichi 是日本国家日报《每日新闻》的英文新闻网站,最近在一篇关于食品未来的文章中介绍了 J-WAFS 的工作,其内容包括一个令人兴奋的 J-WAFS 资助项目,涉及作物复原力和基因编辑。文章最初于 2018 11 28 日发表,经许可转载如下。

含脱氧核糖核酸的小麦可经过轻微调整抵御热浪,重新设计的水稻可在炎热干燥条件下茁壮成长。地球日益变暖,一些地区变得更加干燥,全球人口剧增。作为必要之举,目前我们正努力将这些基因编辑食品带到全球餐桌,新米估计大约在 2039 年上市。

气候变化对世界大部分地区的粮食安全构成巨大威胁,美国麻省理工学院(MIT)安利捷水和食品系统实验室(J-WAFS)主管 John H. Lienhard V 教授在发给 The Mainichi 的电邮评述中表示。他补充说,食品生产实践的改变,甚至我们饮食中的主食变迁将十分必要

根据联合国和政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的报告,气温每增加一度,作物产量就会下降约 5%。

与此同时,10 月 8 日发布的 IPCC 报告指出,与 2030 年之前的工业化以前时代相比,地球的平均温度可能升高 1.5 摄氏度。而且,全球气温升高可能导致降雨明显减少:墨西哥、南部非洲、中东和中国南部的大部分地区降幅为 5% 至 10%,南欧和北非地区高达 20%。与此同时,据联合国估计,全球人口将继续增长,到 2050 年达到 97.3 亿,2100 年达到 112 亿。

日本内阁 2015 年气候变化适应计划指出,水稻产量已经下降。此外,在 IPCC 最恶劣的变暖 3 度情景下,除日本北部地区之外,如果无法转向耐高温品种,一级品大米的比例将在全国下滑

麻省理工学院的 Lienhard 指出,每个人都可以出力应对这些威胁,例如,不浪费食物,利用绿色能源,思考您选择的个人食品如何最具可持续性与此同时,科技将致力于取得重大成果

了解上述抗旱作物。

我认为通过我们的方法(跨越细胞生物学到整个植物生理学)确定的基因和途径,可能是转基因干预可以保持产量增长,麻省理工学院助理教授 David Des Marais 在电邮采访中向 The Mainichi 表示。

Des Marais 及其团队正在开展 J-WAFS 支持的项目,以寻找小麦和水稻相关草种应对热浪和缺水的基因基础。他们正在寻找这些条件激活的基因网络,以及植物为了生存如何分配营养素等资源。他补充说,基于团队研究的基因编辑可能是一次良机,适合改善全球风险地区作物恢复力和粮食安全

Des Marais 将另一个非常激动人心的计划称为“C4 水稻项目”。作为总部设在英国牛津大学的 10 个机构的项目,其目标是通过基因改变将水稻(一种“C3”植物,因光合作用产生的三碳分子而得名)转变为“C4”植物。通过光合作用(利用阳光从二氧化碳和水中产生葡萄糖),相比邻亲 C3,这种植物的化学反应过程在将太阳能转化为植物可用形式方面更加高效(部分可供食用)。简而言之,在同样的光照下,C4 植物的谷物产量会更高。

日本茨城县南部稻田照片(2015 年 7 月 6 日)。图片来源:© Mainichi/Takuma Nakamura

 

另外,“C4 植物在炎热干燥地方的表现的确出色,通常情况下,产量比 C3 植物高出 50%,氮和水(植物代谢作用的必要元素)的用量也相对较少,项目主管剑桥教授 Jane Langdale 在电邮交流中向 The Mainichi 表示。全球日益变暖,部分地区雨量骤减,其中所含的意义影响力巨大,她补充说。

但是,这绝非易事。C4 项目不仅仅是对水稻植物的一个基本生命进程进行基因重新设计,还赋予其新的化学特性,甚至还有叶子新的细胞结构。此外,基因呈“网络化”,这意味着基因表达是基于分子本身与其他物质和因子之间的相互作用,因此找到哪些基因组合发挥何种作用并非易事。

人们还普遍担心转基因组织(GMO)的未来后果。7 月 25 日,欧洲法院裁定,任何基因编辑植物(甚至那些不包含任何外部脱氧核糖核酸的植物)均属于欧盟 GMO 指令管辖范围之内。该指令规定,GMO 进入市场之前必须接受极其严格的检查,并获取官方批准。

另一方面,日本环境部专家小组 8 月 20 日发布的一份报告建议,对包括从其他来源注入脱氧核糖核酸在内的 GMO 予以监管,但放宽了消除或删除基因的 GMO 规则。其理由是,此类基因改变也会自然而然发生。

许多植物生物学家对近期欧盟的发展感到震惊,麻省理工学院的 Des Marais 补充评论说,我希望世界其他地区能够以更加开放且基于证据的心态,了解下一代转基因作物与此同时,剑桥大学 Langdale 预测,等到 C4 水稻准备上市的时候,将会出现不同的基本原则至少前提是食品短缺并未达到预计的极端水平

如果 GMO 产生的疑惑得以克服,Des Marais 和 Langdale 相信,尽管前路漫漫,基因编辑植物能够为人口增长、气候变暖的地球提供支持。

项目(C4 水稻)已达到目标,但预计到明年结束当前阶段后,还需 10 年的工程阶段,随后可能需要 10 年育种。预计在 2039 年可以结束,Langdale 说。

尽管如此,Des Marais 强调我们还必须努力保护我们已种植作物,管理水资源和土壤以提高产量,并帮助小规模农民群体获得所需资金,以最大限度发挥其土地潜力。“为了养活 100 亿人口,我们需要更加优质的品种,更加合理的耕作制度,以及更加便捷的市场准入”,他表示。“转基因属于其中一部分,但可能并非是最关键的一部分”。

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