作者:唐凤 来源: 中国科学报 发布时间:2019/3/19 9:38:39
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如何养活饥饿的地球 技术、伦理缺一不可

 到2050年,地球将需要为90亿人口提供食物。

■本报记者 唐凤

到2030年,全球的粮食需求量将增加50%;到2050年,地球将需要为90亿人口提供食物。在气候变化和极端天气情况下,保持全球食物供给以及增加农作物的产量是人类面临的巨大挑战之一。

也许不必等到10年后,人们就已面临粮食问题。3月7日,津巴布韦公共服务、劳工和社会福利部常务秘书朱迪丝·卡泰拉表示,由于干旱导致粮食歉收等原因,预计该国今年将有超过700万人面临粮食短缺,占全国人口的40%以上。

而面对有限且往往劣质的耕地,人们如何保持和提高作物产量以应对这一重大挑战呢?

近日,英国驻华使馆和英国国家科研与创新署中国处共同组织的科学大爆炸系列活动“未来农场该怎样喂饱全球的人口?”在京举行。来自诺丁汉大学的3位生物科学家联袂带领观众走过11000多年的农业复原力情景之旅,从有效的育种策略、进化基因组学到这些科研方法带来的研究伦理挑战,展示了野生亲缘植物和作物起源的知识,以及如何结合现代科学和尖端技术创造人类可持续的未来。

永恒的气候议题

近日,刊登于美国《国家科学院学报》的一篇论文显示,到2040年,全球多达14%的种植小麦、玉米、水稻和大豆的土地将变得更加干燥,而多达31%的种植这4种作物的土地将变得更加湿润。

研究人员称,尽管部分地区降水量的增加可能意味着产量增加,但考虑到海平面升高、气温升高和洪水风险增加等因素,这些地区的农作物产量未必增加。

实际上,科学家目前已就气候变暖尤其是极端天气增加将改变粮食产量、质量和病虫害分布,从而对粮食供应体系产生影响和冲击,同时未来全球粮食供应体系将变得更脆弱和低效等问题达成共识。

克兰菲尔德大学教授杰里·诺克斯曾表示,气候变化会导致气温、降雨量和土壤湿度等产生变化,改变粮食作物对土地的适应性、生长周期、水和能源需求等,从而严重影响到农田使用和作物产量,尤其对低纬度和热带地区的作物产量危害更甚。

“作物对气候变化的恢复能力是全世界迫切需要解决的问题。预计到2050年,将有90亿人在地球上生存,这就需要大量增加粮食产量。这带来的最大挑战之一是尽管淡水、耕地等减少,但我们仍需保持农作物产量。”诺丁汉大学医学与健康科学学院进化基因组学副教授Levi Yant在本次活动上说。

因此,正如以色列希伯来大学教授Aliza Fleischer所言:“各国必须加大科技创新,增加农业适应气候变暖的能力。”

“未来,农业的发展方向一定是向科技化、机械化方向迈进。”中国工程院院士吴孔明也曾指出,要加强信息技术的研发和应用,通过机械达到单粒播种、单株施肥、精准诊断,以提高生产率,降低化肥使用率、减少成本。

始于花粉 走向野外

农业的主要对象之一是作物。“了解控制植物发育的基本机制将有助于制定基于知识的作物改良战略,应对全球粮食安全的挑战”。诺丁汉大学理学院科研创新助理副校长Zoe Wilson告诉《中国科学报 》。

植物果实始于一颗小小的花粉。作物产量的可持续性,侧重于花卉发育和植物繁殖,特别是花粉和花药形成。有数据显示,全球85%的农作物种类依赖昆虫授粉,昆虫授粉产生的经济价值占全球农作物总产值的9.5%。

Zoe研究组目前侧重于花粉研究,希望通过有效的育种策略和优化/控制作物中的花粉育性,提高作物产量,并用于育种和杂交开发。

例如,“我们对于非生物胁迫对花粉发育的影响以及环境胁迫对作物肥力和产量的破坏性影响十分感兴趣”,她说,“非生物胁迫可导致花粉发育失败,从而导致作物产量和生产力损失”。

该研究组使用在花粉发育的各个阶段都有缺陷的突变体研究参与花粉发育的基因网络,涉及遗传作图的定位、荧光蛋白定位、转录组学、调控靶标的直接分析和酵母双杂交相互作用等领域。从拟南芥研究入手,现已扩展到水稻、大麦、小麦以及百合和热带物种。相关论文刊登于《新植物学家》《植物细胞》等期刊。

“我们目前正在使用系统方法构建和开发监管网络,并通过表达分析、相互作用和敲除研究对所得网络进行功能测试。”Zoe说,“对非生物和生物胁迫的影响,以及激素对高等植物生育力作用的研究也在进行中。”

另外,Yant提到,野生植物种群可能给人们不一样的视角。“适应无处不在。”他告诉《中国科学报》。

“我们有时会看到无关物种的相同变化。例如,蝙蝠和鸟类都进化出翅膀,但蝙蝠是哺乳动物,鸟类来自恐龙。而它们的DNA也会发生类似变化吗?换句话说:是否存在大的进化变化的‘热点基因’? ”Yant说,这就需要从野生植物种群入手,了解它们如何进化以适应环境和生理挑战。

Yant小组使用创新的群体基因组方法确定已进化群体的特定变化,并找到影响进化的候选基因和过程,通过了解植物或动物种群如何在极端条件下进化,提供了对适应全球社会利益的分子机制的理解。例如,某些植物种群能在纯海水中生长,而同一物种的近似种群却对盐度不耐受。“这些系统有助于我们了解进化变化,并为在景观退化和气候变化背景下进行合理作物设计提供指导。”他说。

为谁辛苦为谁甜

另一方面,面对农业发展的严峻挑战,建设现代农业还应重视农业发展的伦理问题。

欧洲农业和食品伦理学会主席、诺丁汉大学应用生物伦理学中心主任Kate Millar指出,促进农业发展、消除饥饿,让人类拥有美好的未来,是农业技术发展的初衷和落脚点,因此农业食品/兽医必须在伦理框架下进行。

Millar在分享欧洲在应用伦理和技术评估,特别是农业食品/兽医伦理和研究领域面临的挑战、应对和经验的同时,为了让听众更好地理解农业技术的道德框架,还在演讲中加入了一个观众投票环节,问题涉及研究目标、基因编辑、包容性创新等诸多方面。

“我希望诺丁汉在食品伦理方面的专业知识可以为中国农业食品研究所的研究人员、行业和政策制定者提供借鉴,帮助制定标准,并开发与公司治理相一致的产品价值链。”Millar说。

中国工程院院士任继周曾在《中国农业伦理学导论》首发式上表示,农业工作者伦理学知识欠缺,对社会和人的健康安全关注不够,存在超量施用化肥和农药等问题,食品安全问题、转基因等高科技的风险性,也都需要从伦理角度应答。

“农业伦理探讨了人类对自然生态系统农业化过程中发生的伦理关联的认知,新时代的农业伦理核心应聚焦于农业生态系统的生存权与发展权。”他说。

相关论文信息:

NEW PHYTOLOGIST. 213(2), 778-790

The Plant Cell. 26(4), 1544-1556

《中国科学报》 (2019-03-19 第3版 综合)
 
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