拥有这一特征的植物在全球范围内有着巨大的需求潜力，以增加粮食产量以及维持可持续发展。

发展中国家的农民或可受益于营养高效的农作物。图片来源：Eric Kruszewski/NGC

Jonathan Lynch喜欢透过表面向下看。在其寻求培育更加优质农作物的道路上，这名植物生理学家花费了大量时间挖掘植物的根系，了解是什么让一些作物种类可以更好地从地下汲取营养。Lynch希望利用这种技术培育出具有超高效根茎的植物，因为这类植物能够在发展中国家贫瘠的土壤里很好地生长，而且它们也能够减少富裕国家的化肥用量。

去年，Lynch对土壤的挖掘取得了回报。他在美国宾夕法尼亚州立大学的团队报告称，他们研发出一系列能够让植物更加高效地从土壤中汲取磷的四季豆。在试验田中，这种植物的产量是传统四季豆产量的3倍。

这一研究成果给非洲带来了希望。在非洲，四季豆是穷人获取蛋白质的最重要途径之一。莫桑比克的研究人员现在正测试Lynch的豆子在该国生态区域成长状态如何。他们希望获得监管许可，使这种植物在明年上市。

Lynch的豆子研究是全球培育适应贫瘠土壤作物的首批成功尝试。其研究之所以显得更加突出，是因为他采取了一种“老式”的方法。他带头使一些传统作物育种技术重新走上复兴之路，这些技术要依赖仔细检验植物的生理特征，然后选择出合乎要求的特点，比如根系的生长和长度等。令人惊奇的是，这种途径似乎会超越高科技途径。

随着全球人口到2050年增长到100亿，“节约型”的庄稼对于供给全球人口粮食需求至关重要。“拥有这一特征的植物在全球范围内有着巨大的需求潜力，以增加粮食产量以及维持可持续发展。”德国哥廷根大学农业经济学家Matin Qaim说。

神奇的豆子

Lynch表示，他在找到哪些根部特征可以帮助四季豆在低磷土壤中生长之前，曾“在黑暗中摸索”了许多年。检查根系特征是一件凌乱而棘手的事，因此在研究人员中并不受欢迎，他说。这也是此前的研究集中在作物萌芽而非根系的原因。他的团队挖出植物以解释哪些特征是有益的，还要花费很大精力避免损伤那些脆弱的组织。

在Lynch看来，成功的关键是打开思路，了解根系的形态。“我告诉学生，在进入大田之前应该丢掉手里的肥料试剂，仔细观察植物，让它们告诉你自己在做什么。”他打趣说。

让Lynch及其团队感兴趣的是根系的深度，他们知道磷通常会出现在土壤的更上层。研究人员去年报告称，长有基生根（接近植物基部）的豆苗如果生长在较浅的土壤中，其比基生根更深的豆苗的生物质能产量高出58%。该团队还发现，拥有较长根须的豆苗能够更好地吸收磷，使产量比根须较短的豆苗增加89%。当研究人员将豆苗根系的这个特征与普通豆苗相结合之后，他们获得了更高的产量。在莫桑比克的田间试验中，磷元素贫瘠的土壤中生长的根系较浅、根须较长的豆苗，每公顷产量为1500公斤，而当地的豆苗产量为每公顷500公斤。

研究中面临的下一个大挑战是提高豆苗的抗旱能力，同时维持其在低磷土壤中的产量。这一技术之所以棘手，是因为存在水资源压力的作物需要更深的根系，这与其需要吸收磷的特征相反。希莫尤市莫桑比克植物研究所植物生理学家、与Lynch开展合作的Magalhaes Miguel说。Miguel正在该国不同的地点对这种豆子进行测试，以争取获得批准，让种子公司可以生产及销售这种豆子的种子。

其他研究团队也在采取不同的方式培育化肥用量少的作物种子。过去6年，位于墨西哥州特斯科科市的国际玉米和小麦改良中心（CIMMYT）利用常规育种培育的玉米，在氮元素贫瘠的非洲土壤里长势良好。

繁荣与萧条

当Lynch和CIMMYT大踏步前进时，他们同时也代替了在转基因作物领域投资多年的农业生物技术公司的角色。

加拿大阿尔伯塔大学植物生物学家Allen Good曾花费数年和公司合作，开发需要很少肥料的转基因作物。但他表示，这种技术并不像传统技术那样富有成效。其中的问题是，有大量基因与营养吸收和利用有关，而环境变化会改变它们的表达。

曾参与早期实验的Good对那些令人兴奋的日子记忆犹新。2001年，他在加利福尼亚州缺氮实验田的转基因油菜田和传统油菜田里忙前忙后，看到在同样压力环境中，转基因作物长势更好、颜色更绿，而传统油菜几乎难以存活。转基因作物的优势在于一个基因：来自大麦的丙氨酸转氨酶（AlaAT）。

“我当时想，‘天哪，快来看看这个基因在大田里的影响。’”Good说。2001年的这次实验由加州戴维斯农业生物技术公司阿凯迪亚生物科技运行，当时Good担任其咨询专家，他将AlaAT 的发现授权给了该公司。此外，在与密苏里州圣路易斯生物技术公司孟山都的合作中，实验田的成果表明，在低氮条件下，转基因油菜籽比传统油菜籽产量高出42%，而且如果与未经修饰的作物相比，转基因作物实现相同产量所需要的氮肥要少40%。

阿凯迪亚公司称，他们已经成功将该基因转化到小麦、大米等其他作物中。“我们公司有着业内最强的高效氮肥项目。”阿凯迪亚首席运行官Roger Salameh说，“我们在全球种植面积最广的两种作物——小麦和大米的实验中有着多年积累的数据，我们正在实现两位数的产量增长。”

尽管实验结果很乐观，阿凯迪亚公司目前仍未对上述作物或是相关的作物进行商业化。该公司希望今年能够推动一种可高效利用氮肥的转基因小麦上市，但其可能会错过这一目标。Salameh表示，很难确定这种作物什么时候才能万事俱备，但该公司正在与法国圣博齐尔种业公司蔬菜部合作，推动转基因小麦商业化。

从理论到实践

尽管一些研究者对若干种转基因作物取得的成效印象深刻，但Good听说，转基因油菜有些“叵测”，即该作物在一些环境中表现良好，但在另一些环境中却并不见效。他已经丧失了对其最初的欣喜，表示如果可以重头再来，他将会像Lynch和CIMMYT一样，把大多数精力用在传统育种上。

Good并非唯一担心转基因作物不能像预期那样取得成效的人。2012年，CIMMYT在提高低氮土壤玉米产出的实验中，除了实验传统育种技术培育的玉米之外，还启动了转基因育种实验。该转基因作物基于杜邦先锋公司提供的一种技术。该技术的确提高了作物产量，但不足以证明其带来的巨大利益能够获得监管批准，带领CIMMYT内罗毕玉米实验项目的玉米育种专家Biswanath Das说。该转基因项目现正处于评估阶段。“其产量收益并没有让人激动到推行商业化的地步。”

转基因作物面临的一个关键挑战是，诸如氮高效利用等特征会受到一张复杂基因网的影响，不仅在基因之间，而且还会与环境发生相互作用。“很难拿到一个基因，将其嵌入一种玉米，然后期待能产生巨大效益。”Das说。

杜邦先锋和阿凯迪亚仍然信心满满，认为有一天单个基因会产出可提供高效营养的作物。同时，研究人员正在设法将传统育种技术和一系列高科技方法相结合。然而，政府管制或许会成为推行“节约型”传统作物和转基因作物的最大障碍。欧洲和非洲的管制障碍让很多转基因技术难以做到大规模实验种植和商业化。Qaim说，这些障碍在一定程度上也要归咎于转基因节约型作物的进展低于人们的预期。

但如果CIMMYT能够将种子发到农民手中，其势必会对发展中国家粮食安全和环境带来巨大影响，Das说。“答案藏在种子中。”他说，这样一来就不需要那么多的肥料。“一旦农民有了种子，他们就有了解决办法。”（红枫）