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改良木薯养活世界

2019-01-21 09:49来源:中国科学报

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  “下一代木薯育种工程”负责人Chiedozie Egesi在尼日利亚的一个木薯田中视察。图片来源:Amy Maxmen

  “我喜欢这个。”Ismail Rabbi边说边将手掌放在木薯上,就像父母在夸赞自己心爱的孩子,他羞涩地笑了。“它们看上去没什么了不起的——并不高。”Rabbi说,“但它克服了我们设置的所有障碍。”

  Rabbi是尼日利亚伊巴丹国际热带农业研究所(IITA)的遗传学家。他和同事正在开展一项改良木薯的研究。木薯根部富含淀粉,为全球8亿多人提供了食物和收入。非洲木薯消耗量最高,但产量却比亚洲和南美洲低。不过,非洲的木薯品种往往更能抵抗枯萎病,比如目前正在亚洲扩散的致死性木薯花叶病。

  去年11月,Rabbi将5个抵抗该疾病的非洲木薯品种运往泰国——全球最大的木薯进口国。他和同事在耗资6200万美元的“下一代木薯育种工程”的资助下培育了这些植物。这项工程由英国政府以及比尔和梅琳达·盖茨基金会于2011年创建。随着气候变暖、人口不断增长,木薯病毒也在扩散。项目科学家正利用基因组数据辨别满足全球需求的木薯品种的有用特征并进行繁育,以对抗饥饿。

  当这些非洲植物抵达泰国后,泰国科学家将其与亚洲木薯品种进行杂交,并筛选以获得“后代”,Rabbi和同事据此寻找用于预测植物对抗花叶病毒以及其他12种性状的遗传标记。这些性状包括叶子颜色以及每个根的可食用淀粉量。

  这些遗传标记曾帮助尼日利亚研究人员繁育出8种目前正在该国试验田生长的木薯。科学家和农民将把它们同现有广泛使用的最好木薯品种进行比较。

  11月的一个炎热下午,Rabbi和“下一代木薯育种工程”负责人、IITA 遗传学家Chiedozie Egesi在繁育木薯新品种的试验田中漫步。他们讨论如何帮助农民使用新木薯品种的农艺,以及经济策略,比如创造针对这些作物的市场。“我们不能只坐在房间里,然后确保这些木薯表现得完美就可以了。”Egesi说,“我们正在将其带往出现问题的地方,并且一直研究如何让我们的科学研究派上用场。”

  问题根源

  木薯是三大洲自给农业农民的主要生计来源,因为它能在贫瘠的土壤中生存且耐干旱,此外,其根部可随时收获。不过,木薯的产量地理差异很大,在非洲生长的木薯每公顷平均产出8.8吨可用根,而在美洲和亚洲,每公顷的产量分别为13吨和22吨。

  研究人员一直试图通过进口亚洲和南美洲品种改善非洲农民的处境。不过,这些外来植物难以对抗非洲病原体,因此“表现得很糟糕”。

  事实证明,繁育生命力更强的杂交品种具有挑战性。研究人员要花费5年时间繁育,才能获得一个有价值的杂交品种。此后,育种者还必须用约1年的时间种植试验性植物,以及评估根系的质量——这需要收割、浸泡、切块并且晾干,之后为剩余淀粉称重。即便这样,高产量的木薯暴露于恶劣的环境下也可能出问题。

  这种低效的繁育过程浪费土地、人力和金钱。同时,尽管木薯是非洲人碳水化合物食物的最大来源之一,但从全球销量和研究经费的角度看,玉米、小麦和水稻远远超过了它。“下一代木薯育种工程”旨在通过利用基因测序辨别优质杂交品种,加速繁育生命力更强的木薯并且提高产量。项目研究人员还致力于刺激市场投资,他们通过与打算购买并处理由小规模农场主种植的木薯根部的尼日利亚企业家进行对话加以实现。

  澳大利亚墨尔本莫纳什大学植物科学家Ros Gleadow表示,这项努力早就该进行了。“木薯最终获得认可,真是太棒了。”Gleadow说。

  日益增长的雄心

  正在试验田生长的8个木薯品种是IITA团队第一轮作物繁育的产品。研究人员分析了2013年发芽的约2500株幼苗的DNA,并且基于同特定性状存在关联的基因序列辨别出有前景的品种。Rabbi介绍说,2018年10月分析的数据显示,拥有同高含量β—胡萝卜素相关的遗传指纹的幼苗,有83%的几率按预测的水平“排放出”这种营养物质。β—胡萝卜素是维生素A的前体,而后者在很多非洲人的饮食中完全缺失。同时,研究表明,拥有抵抗木薯花叶病的遗传标记的品种在约60%的时候具备抗性。

  “基因组选择并非灵丹妙药。”Rabbi说,“但田间测试花费太高,这种方法至少能帮助你减少费用。”

  全球育种者已利用尼日利亚中心的数据测试木薯品种对花叶病的抗性。枯萎病病毒通过粉虱扩散,会抑制木薯根部生长。这些病毒早在非洲肆虐,导致了上世纪20年代和90年代的饥荒。2015年,一种毒株出现在柬埔寨。

  在木薯受导致花叶病的病毒侵害最严重的泰国、南美洲和太平洋岛国,农民们希望通过传统育种,将来自非洲的抗性等位基因混合进他们的作物中。一株哥伦比亚木薯和一个尼日利亚品种之间的此类杂交受助于“下一代木薯育种工程”研究人员辨别出的标记物,目前正在IITA附近的测试田中生长。

  2020年,科学家将从目前表现最好的8个品种中选择一些植株,并在尼日利亚种植。他们还正同泰国、老挝、巴西、乌干达和坦桑尼亚的研究者就把木薯品种运送到这些地方进行讨论。同时,该团队正试图寻找办法,帮助农民采用新产品。

  “播种”解决方法

  2005年,一株木薯品种受到了科学家、援助机构和各媒体的吹捧,该品种是通过比尔和梅琳达·盖茨基金会资助的1200万美元项目培育的。该项目名为“木薯生物营养促进计划”,旨在通过基因改造一个木薯品种,将铁、锌和其他营养物质包括进来。Egesi知道,极少有非洲农民能负担得起使作物存活所需的开支,包括杀虫剂。“我以前是个害羞的人,但现在四处发言。”Egesi说,“我正在确保我们想到了所有事情,而不是技术本身。”

  当尼日利亚农民被问及为何不更多地种植其喜爱的木薯品种时,他们通常的回答是没有足够的作物。木薯通过播种成熟植株的茎秆进行繁殖,而非播撒种子,每个剪下的茎秆长出其“父母”的“克隆体”,因此在一块田地种满同一品种耗时很长。同时,长期按照此方法种植,木薯品种质量会下降,因为“克隆体”遗传了来自“父母”的病原体并且产生突变,从而导致“突变融解”。

  2016年,IITA遗传学家Elohor Mercy Diebiru-Ojo和同事开发了一种新方法:针对木薯的首个半水培系统。在Diebiru-Ojo实验室的荧光灯下,纤细的木薯芽在充满潮湿土壤的透明塑料箱子中生长。每两周,该团队会剪掉分枝的芽,并且将片段移植到另一个箱子中。2个月内,他们利用一株已经能在户外种植的木薯产生了100株幼苗。

  Diebiru-Ojo说,她知道一些农民表示愿意为这种优质作物掏钱包。她希望,这会促进高质量木薯芽的销售,从而使相同的作物不会被克隆很多代。“当这个项目结束时,我想让该系统继续运行。”

  如果新品种无法生根,病毒最终将“如愿以偿”。Egesi站在木薯田中向外凝望时说,“看到这些木薯没有表现出疾病迹象,我真的非常激动。一旦这些品种通过政府审批,我们会在第一时间将其推广给人们”。( 宗华

  《中国科学报》 (2019-01-18 第3版 国际)

[责编:毕孝斌]

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