The Global Seed Vault in Spitsbergen, Norway, shrouded in snow.

时代的种子

水果和蔬菜的古老品种,时下正在流行。就谷物而言,越来越多消费者开始欣赏老品种的口味和丰富营养。植物育种者认为,这是应对气候变化等问题的宝贵资源。

这些三瓣叶型白色花朵,从一根短短的绿茎上微微延伸,娇嫩欲滴。然而,这颗植物种子在维也纳自然资源和生命科学大学实验室中茁壮成长,距今已有32,000年历史。它在西伯利亚永久冻土层封存了数千年。2012年,俄罗斯科学院的研究人员再次组织培养这种植物。随后,由植物生物技术学家Margit Laimer教授领导的团队通过高超技能和努力,让这种会开花的草属植物在2020年在器皿中再度绽放。“这存粹是运气。” Laimer高兴地说。现在,她希望利用遗传分析,深入了解这种草属植物的遗传物质如何发育,研究植物如何适应不断变化的气候条件。这是气候变化时期需要研究的一个重要问题。

Margit Laimer stands in the middle of her laboratory and examines small seedlings.

常驻维也纳的植物生物技术专家Margit Laimer正在培育一种名为狭叶蝇子草(Silene stenophylla)的植物。它在32,000年后再度开花。

追根溯源不仅仅是研究员Laimer等科学家的口号。面对日益严重的威胁,人类似乎本能地寻求生物和文明根源的稳定性。几乎被遗忘的古老植物物种正重回视线,蓬勃发展:由单粒小麦(emmer)、二粒小麦(einkorn)等古老谷物制成的烘焙产品,现在就像普通烤饼一样在市场上被售卖;悠久历史的水果和蔬菜,例如古老的德国Gravenstein苹果,正在风靡西方主要城市潮流时尚之地。

追寻某些纯正地道之物通常不仅仅是出于浪漫情怀,因为老品种能为消费者带来实实在在的好处,美国纽约州康奈尔大学植物育种和遗传学教授Mark Sorrells强调。特别是对于患有某些肠道炎症疾病的人来说,由斯佩耳特小麦和小麦的祖先二粒小麦(einkorn)制成的烘焙产品,可能比采用现代高产量小麦品种更容易消化。Sorrells 发现:“这些古老谷物品种也香味更浓。” 十年前,他启动了一项区域研究,以了解使用旧品种可以带来什么好处 — 这不仅针对农民和消费者,也是针对餐馆和面包店。

Mark Sorrells stands in the middle of a wheat field.

老品种作物对消费者和环境有何好处?来自美国的Mark Sorrells是一位植物育种学教授,他对这个问题充满热情。

“我们不得不从头开始。”这位遗传学家解释道。几乎没有任何记录表明,哪些老谷物品种在美国东北部和中西部的土壤和天气条件下最能茁壮成长。唯一的解决方案:在田间试错,这往往很费功夫。“当你从种子库中请求种子时,你通常只会收到三五克。这意味着你需要一些时间才能拿到足够多的种子,进而在田间测试这个品种。”他说。一旦种入土壤,有机种植的稀有品种就会遭受松散黑穗病等疾病的侵害。最终,事实证明,一些新种植的古老谷物品种确实可以在特定环境中肆意生长,但却不太适合烘焙。Sorrelles 说:“尽管如此,仍有一些品种值得商业推广,虽然规模不会太大。”

 

求质不求量

这并不容易。重新引入某个旧品种需要一支精心协调的本地团队,他们由负责生产、零售和餐饮的代表以及消费者组成。例如,在纽约,植物遗传学家和餐馆经营者在思考哪种类型的二粒小麦可以为意大利面提供最佳口感和风味。Sorrells强调,这关乎质量,而非数量,因为老谷物的产量比现代小麦品种少得多。通常,茎分开得越远,单个植物颗粒就越少,这些颗粒即斯佩耳特小麦,通常被包裹在坚硬的保护壳中,难以去除。农民、磨坊经营者、面包师和厨师必须接受使用老品种的培训,餐馆老板需要接受营销方面的指导。

但Sorrells的视野不仅限于建立本地价值链的范围。他说: “在这些老品种中,有一些品种的维生素A浓度高于现代品种,蛋白质含量更高。” 然而,这些恰恰是微量营养素的种类,在未来解决全球营养不良的问题上或很重要。

仅9种植物就能提供全球66%的收成

数据来源:联合国粮食及农业组织

保障粮食供给 

“如果基于旧品种的食品让您感觉更好并且负担得起,那么请购买它!但这不会带来全球粮食供给安全。联合国粮食及农业组织种子和植物遗传资源团队负责人Chike Mba说。他解释说,老品种种子几乎不适合实现粮农组织到2050年将农业产量提高至少50%的目标,因为它们产量太低。Mba说:“生物多样性很重要,但它本身绝非最终目的。尽管如此,生物多样性有助于保障粮食供给,特别是在培育高度发达的作物品种之初,需要考虑到这一点。”

Edward Souza stands in the middle of his greenhouse.

巴斯夫研究人员Edward Souza利用老品种的遗传多样性,培育更适合应对气候变化的现代小麦。

巴斯夫农业解决方案部全球小麦育种负责人Edward Souza教授认为,老品种是需要提炼的宝藏。“我们的长期目标是将它们用于现代育种,以满足不断增长的全球人口的需求,并应对气候变化。因此,我们正在系统测试历史收藏中的野生种子类型和老品种。” 他说。当他谈到历史谷物类型的不同颜色和形状时,他眼前一亮,“你得亲眼看看这个!可是,......” ,这时,他的表情又变得严肃起来,“他们很难耕种。”

杂交育种非常复杂,包括涉及那些具有野生品种特性的杂交种子。Souza绘制了一幅金字塔图来说明这一点:从无数具有不同遗传特征的品种里,巴斯夫科学家们,有时与外部合作伙伴合作,共同开发全新且更高效的品种。在持续多年的过程中,它们以所需的特性繁殖,直到最终包含结合了特定品质的品种,例如良好的风味、改进的抵抗力和最佳产量。让小麦杂交育种特别困难的地方在于,与玉米或黑麦不同,它是一种自传粉媒介。为了防止母系形成任何花粉,Souza和他的团队使用天然的遗传不育来进行有效的异花授粉。

巴斯夫Ideltis™等新型杂交小麦种子的开发工作,将数百年的育种常规、实验室中的现代遗传分析方法和基于计算机的预测模型等串连起来。Souza和他的团队仍然需要在现场试验中连续几代测试新的杂交品种。例如在德国,它们需经过两到三年的审批程序后,才能出售。这意味着育种和市场引入都是复杂的过程。对于Ideltis™的研究已经进行了十年。在这十年内的中期,预计向欧洲和北美种植者供应。Souza强调,在育种过程中,他的团队专注于各种小麦育种计划,以使植物特性适应当地需求。“我们在杂交小麦的开发中使用旧品种,以最大限度地提高质量和产量——这就是为什么它们的保存对我们来说很重要。”他补充道。

Two people look at a wheat field and examine the ears of corn.
杂交种子产量更高

杂交育种如何工作 :

通过选择性地杂交两个遗传上不同的亲本系,育种者可以在下一代(F1)中结合甚至最大化亲本的最佳特征。例如,可以优化产量和质量。

杂交种子有多广泛 :

杂交植物在自然界中很常见。20世纪初以来,育种者也一直在对栽培植物进行定向杂交。它们现在已很普遍。大多数植物性食物——从西红柿和胡萝卜到玉米和黑麦——都是由杂交种子生长而来。马铃薯或小麦的杂交仍在开发中。就后者而言,2018年通过其基因组测序达到里程碑。它是人类的五倍之多。

So verbreitet sind Hybride:

Hybridpflanzen kommen häufig ganz natürlich vor. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts werden aber auch gezielt Kulturpflanzen mittels Hybridisierung gezüchtet. Sie sind inzwischen weit verbreitet.

Der Großteil der pflanzlichen Lebensmittel – von Tomaten und Karotten bis hin zu Mais und Roggen – basiert auf Hybridsaatgut. Die Hybridisierung von Kartoffeln oder Weizen befindet sich dagegen noch in der Entwicklung. Bei Letzterem wurde 2018 mit der Entschlüsselung seines Genoms ein Meilenstein erreicht. Das Weizengenom ist fünfmal so groß wie das des Menschen.

So funktioniert die Züchtung von Hybriden:
Durch die gezielte Kreuzung von zwei genetisch unterschiedlichen Eltern­linien können Züchter die besten Eigen­schaften der Eltern in der nachfolgenden Generation (F1) kombinieren – und sogar maximieren. So können beispielsweise Ertrag und Qualität optimiert werden.

迎接挑战:具有独特性质的品种

Illustration of a santana apple
桑塔纳苹果  
有些消费者对苹果过敏。皮疹和肿胀是对苹果不耐受的典型反应。来自荷兰的新品种苹果缓解了这一症状。桑塔纳苹果的过敏性蛋白质含量较低。
Illustration of a stenophylla coffee
狭叶咖啡 
这种咖啡豆能抵御高温:直到100年前,狭叶咖啡才开始在塞拉利昂种植,但随后被阿拉比卡咖啡豆取代。据研究人员称,狭叶咖啡也更能抵抗雨水 — 这意味着它可能能够承受气候变化。
Illustration of a Intense-tomato
Intense™番茄 
巴斯夫旗下纽内姆(Nunhems® )品牌的一支团队专门研究蔬菜种子的育种,他们开发了一种番茄,其果肉含量特别高,胶质含量特别低。Intense杂交品种的设计使它在切片和制备后,也能保持其质地、色泽和香气。
Im globalen Saatgut-Tresor lagern rund 1,2 Millionen Sorten.

Quelle: Svalbard Global Seed Vault

冰山中的诺亚方舟

在挪威最北部一个群岛,一栋建筑正拔地而起:斯瓦尔巴全球种子库,这是由全球农作物多样性基金会、北约基因资源中心及挪威政府所进行的项目。但是,“这幢建筑不是博物馆。”该基金会执行董事Stefan Schmitz表示,虽然这是它的外观带给人们的第一感受,“世界各国在这里存放农作植物种子作为安全备份。” 至今,该种子库共存放了逾120万不同品种的种子,而它们的原生版本可以被使用。“在面对气候变化及丧失生物多样性时,这对于全球粮食保障而言相当于是‘人寿保险’。” Schmitz说。

The Global Seed Vault in Spitsbergen, Norway, shrouded in snow.

位于挪威斯皮茨卑尔根的全球种子库于2008年开始运营。来自世界上几乎所有国家的种子样本都被安全储存于此。

该项目不仅仅由挪威的种子库组成,更像是人类已知的所有种子的备份。它如同一张由100多个区域基因库组成的无形网络,与总部相连,再延伸到全球。需要种子的当地育种者将他们的请求发送到最邻近的基因库。基于这些需求,他们通过从旧种子中杂交来创造新品种,然后种子库把它们逐步存档并保存下来,供后代使用。
 

然而,Schmitz说,这样存在一个问题:基因贫困。如果你培育一种植物时,把注意力都集中到其中一种受追捧的特质,其他的就会丢失。Schmitz描述了这种困境:“选择性繁殖越强,遗传多样性就越小。” 为了补偿这遗传侵蚀,育种者试图重新穿越这些植物远祖的特性。这种变得更聪明和抵抗力更顽强的进化,Schmitz将其描述为猫鼠游戏;同时,还得抗衡气候变化。他说,在这种情况下,现在谁能预知哪些基因将在未来数十年内,对特定小麦品种的健康和产量具有重要意义?他补充,这就是为什么需要在全球范围内尽可能确保广泛基因的存活,以便极力保护像史前剪秋罗属植物这样的植物,而不仅仅是依赖运气。 

Im globalen Saatgut-Tresor lagern rund 1,2 Millionen Sorten. Quelle: Svalbard Global Seed Vault


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