发现高产又好吃的水稻基因基因工程能为粮食安全注入新动力吗

近几日，有一条农业科技界的“狠活”上了热搜，是说中国农业科学院作物科学研究所水稻分子设计技术与应用创新团队，发现LVPA4单个基因通过协调作用，能够同时显著提高水稻的产量和品质，在水稻高产优质育种中具有应用价值。

我们都知道，目前的食物生产方式，正在对环境造成巨大破坏，但是如何在不进一步伤害地球的情况下生产更多的粮食呢？是当下科学家努力的方向。推而广之，如果再能找到水稻抗旱基因等等，然后重新排列一下这些基因，就会出现既需要较少水、又高产好吃的水稻，那该是一件多好的事情。其实，这一切都会成为可能，这主要归功于基因编辑技术。

我们都知道，我们的祖先一开始就通过植物间的杂交来进行品种改良。其中，我们的主粮作物小麦和其它植物杂交的历史甚至可以追溯到一万年前，从那时开始，小麦、玉米、大米和大豆的产量在不断提高。当然，它们的外形也发生了很大变化，甚至你都看不出来它们是近亲。

尤其是在过去的几十年里，粮食产量确实在飙升。从上世纪60年代以来，粮食单产就翻了好几倍，虽然生产了更多的粮食，但人类也为此付出了沉重的代价。为了养活不断增长的人口，我们并没有止步于增加产量，过度使用化肥、农药，以及敏感的生态系统不断向农田转变，导致全球40%的肥沃土壤退化，使得未来的农业发展面临巨大挑战。

科学家通过研究推算，预计到2050年，气候危机将使粮食产量在最好的情况下减产3%，在最坏的情况下至少减少12%。问题是，随着人口不断增加，实际上我们需要生产更多的粮食。到2050年，全球人口数量将达到100亿，也就是说那时候我们需要生产至少比现在多出30%的粮食。

如果世界上每个人都改为吃素，我们就可以生产足够的食物，但现在看起来这根本就不可能。在当前的情况下，唯一的方法就是进一步扩大农业边界，譬如砍伐森林，这意味着人类将告别剩余不多的自然生态系统。

欣慰的是，科学家们正在努力地寻找和设计具有气候适应性的超级作物，这种作物可能会产生更高的质量，并且需要更少的资源来种植，但他们不是通过传统的自然杂交育种，他们希望通过使用一种被称为基因编辑的方法改变植物的遗传密码来加快这一过程，例如在水稻生产中。

今年夏天，干旱成为全球并发性自然灾害，这对水稻生产来说是个大问题，因为水稻是一种需水量较大的植物。在世界上，有超过一半的人口以大米为主食，但2022年几乎主要的水稻生产国从印度到巴基斯坦再到我国，几乎都受到了干旱的影响。这时候一种新的水稻品种可能会在未来有所帮助。

我们种植的水稻，目前采用的父本大多是IR64品种，科学家通过基因编辑调整其基因，成功地使得该品种更耐旱。与母株相比，这种新水稻在几周内的用水量减少了40%。同时，传统品种在40℃高温下不能存活，但有一半的基因编辑水稻存活了下来。他们是如何做到的呢？

简而言之，科学家们只是让植物中天然存在的基因变得更强大。该基因参与减少植物孔隙的数量和大小，这些孔隙负责植物的气体和水分交换，通过提高该基因的控制能力，在减少水分蒸发的同时，产量不吃不变甚至增加。

这就是前面提到的基因组编辑技术，它与传统的基因改造或“转基因”技术有着根本的不同。因为它实际上依赖于自然过程，但它使得突变过程的随机性大大降低。而大多数转基因产品都含有合成基因，或者是将另外一种生物体的基因插入到感兴趣的植物或动物中。例如大家所熟知的，在世界各地广泛种植的抗虫棉花和转基因玉米，含有最初在细菌中发现的基因。

基因组编辑部使用外来DNA，而是利用自身遗传密码中存在的信息来改变生物体的特征。使用特殊的酶，就像剪刀一样，我们可以删除、交换或重复植物DNA中存在的基因。任何生物体的突变实际上都相当频繁，可以在实验室中诱发，也可以在自然界中存在。只不过在自然界中发生的需要几十代的时间，而基因组编辑超级强大之处是你可以在极短的时间内改变单个基因。

一般来说，通过杂交育种需要7~15年的时间才能拥有所需形状和特性的植物，但基因组编辑只需要几个月，不过测试阶段可能需要几年，但基因组编辑更精确，直接针对理想性状，而在杂交育种中，想要的和不想要的特性是相互结合的。

目前，在世界范围内，基因组编辑作物的研究已经大大加快了步伐，从2011年申请专利仅仅只有几项，到现在已经有2000项专利。包括我国、美国以及大型农业跨国公司都在大力投资该项技术，预计到本世纪末，该技术的市场体量庞大到惊人。

不仅仅是抗旱水稻，目前已经研究成功的是番茄作物的产量提高了79%，也有科研团队正在试图将大豆种在退化和盐渍化的土壤中，也有研究减少水稻中甲烷排放量的。另外，在肯尼亚，科学家们正在开发一种他们称之为“智慧香蕉”的产品，在他们的实验中，他们成功激活了一个基因，以预防性地开启植物自身的免疫系统，以抵抗一种因干旱而变得活跃的病毒。

但是，并不是说基因组编辑就比转基因技术安全，它也是有风险的。因为当你进行基因组编辑时，你会改变一个基因组中数千个其它基因相互作用的基因。这是目前最具争议性的地方，特别是有许多新的作物品种仍处于研究阶段，可用的数据和风险评估非常少。

一些反对基因组编辑的专家列举了脱靶基因变化的案例，或者删除了比预期更多的基因信息的案例。以油料作物而言，植物的通讯系统早稻破坏，这在自然界中可能会破坏其对害虫的天然防御能力并可能影响整个生态系统。同时，反对者也认为，粮食不安全的存在更多的是粮食的分配不均和食物浪费，而并非生产的粮食不够吃。

另外，在世界上大多数国家，转基因作物被要求必须贴上“转基因”标签，但是关于转基因标签是否仍然适用于基因组编辑，目前仍然没有定论，但是在越来越多的国家被广泛争论。

尽管基因组编辑的方法可能非常先进，但传统育种仍然同样重要，它们都无法弥补我们目前给生态系统带来的巨大负担。但它可能会在未来填补粮食缺口方面发挥作用。

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