大米2.0 ?寻找更可持续的主食

本文最初发表于360年耶鲁大学环境并经允许在此转载。

一万年前，中国古代的居民收获了野生稻的谷粒，这种多年生植物生长在沼泽和溪流中，高达15英尺高。

沙粒很小，呈红色，在波浪中逐渐成熟，经常碎入水中。他们的后代把这种谷物变成了高产的年度作物，如今养活了世界上一半的人口。

1909年，农学家F.H.金(F.H. King)参观了中国精心维护的梯田，他称那些耕种梯田的男女为“4000世纪的农民”。对他来说，他们似乎揭开了保存土壤和无限期保持农业肥力的秘密。

今天，随着气候的变化，集约化种植的土地越来越多，稻农的未来变得不那么确定了。

在亚洲部分地区，融化的冰川威胁着灌溉稻田的水供应，而更高的温度和不可预测的降雨对雨水灌溉的农田造成了压力。在世界各地的高地上，农民使用刀耕火种的技术在陡峭的山坡上种植水稻，休耕时间越来越短，严重的水土流失正在破坏生产力和生态系统健康。

旱地农业可持续

一个由国际科学家组成的网络正在致力于一种彻底的解决方案:多年生水稻，这种水稻可以连续多年生产粮食，无需重新种植。

通过将驯化的水稻与野生的前辈杂交，他们希望培育出根基深厚的品种，这种品种既能固定土壤，又不需要太多劳动力，还能在极端的温度和水源条件下生存。植物育种家几十年来一直在尝试为小麦、高粱和其他作物做同样的事情。

有了大米，这一愿景终于接近现实。中国科学家正准备推出一种新品种，他们说这种品种在低地稻田中表现良好，经过更多的育种工作，最终也能在贫瘠的土地上茁壮成长。

“这项研究预示了在高地种植作物的一种更可持续的方式，”美国农业部的高地农业专家Casiana Vera Cruz说国际水稻研究所(IRRI)在菲律宾。

她说，这项研究对女性的影响尤其大，因为她们通常要在每年春天在山区的小农场手工种植水稻。

最大的进展发生在中国，云南农业科学院的遗传学家Fengyi Hu和他的同事正在完成对多年生水稻品种近十年的试验，包括PR23 (PDF)他们声称，在四年或更长时间内，这种水稻的产量接近传统水稻。

云南的一家农业公司今年将在1500多英亩的土地上测试PR23和类似品种，研究人员也在老挝试验PR23。如果云南省政府批准向农民广泛发放这种新型水稻，它将成为世界上首批在试验田之外种植的多年生谷物之一。

然而，批评者认为，像PR23这样的多年生谷物永远无法养活世界不断增长的人口。内布拉斯加大学(University of Nebraska)的农学家肯尼斯·卡斯曼(Kenneth Cassman)的工作重点是全球粮食安全。他说，把世界有限的农业研究资金的更大份额用于多年生水稻研究将是一个错误。

“我们的目标不仅仅是提高农业生产率，我们的目标是让人们摆脱贫困，并提供足够的营养和健康，”Cassman说，他曾在90年代中期在IRRI工作。“而且，在贫瘠的小农场种植低产多年生谷物，是不可能让任何人摆脱贫困的。”

相反，他认为农民应该在陡峭的山坡上种植抗旱树木或牧草(而不是谷物)来稳定土壤，而科学家应该集中精力在真正适合他们的环境中提高粮食年产量，比如有充足水的平坦田地。

消除贫困和营养不良

尽管如此，那些参与中国常年水稻研究的人说，这可能会对全球环境产生影响。数以百万计的亚洲和非洲农民在边缘高地种植水稻，代价是大量的土壤流失(例如，老挝陡峭的未开垦稻田的土壤流失速度比全球新土壤形成的平均速度快20倍)。

其他大陆上的其他作物也是如此。世界上有一半的人口依靠贫瘠的土地获得粮食2010年发表在《科学》上的论文而每年耕作往往会使这些土地进一步退化。与此同时，人口——以及对粮食的需求——正在迅速增长。

一个广泛推广的答案叫做生态强化，其中使用覆盖作物和多元栽培等可持续农业技术来增加产量，而不扩大耕地面积或造成环境损害。

但多年生谷物的支持者认为，农业需要一个更根本的解决方案——从本质上说，就是改变人类一万年的习惯，即每年清理土地，重新开始。

“我们认为是农业一揽子计划的一部分的许多问题——营养流失、土壤侵蚀、碳流失、杂草入侵——实际上都是这个被高度破坏的生态系统的属性，”Timothy Crews, the research director at the the土地研究所该公司成立于1976年，目标是开发模仿草原的谷物田。

“它们在生态学中是非常可预测的。然而，如果你走出去，看看成熟的本土(草原)生态系统，你就不会有这些问题。”

然而，培育多年生水稻和其他谷物是一项艰巨的任务。当被驯化的一年生谷物将30%到60%的能量用于生产种子时，多年生牧草将更多的能量用于建立长期生存的根系。

克鲁斯解释说，为了提高多年生植物的产量，植物育种者必须说服多年生植物将更大的能源分配给种子生产。它们还可以利用多年生植物的能量馅饼更大这一事实:它们通常在每年春天比一年生植物开始生长得早，并且每年光合作用的天数也更多。

人们对多年生谷物越来越感兴趣

多年来，土地研究所的工作人员是少数从事多年生谷物开发的科学家之一。不过，最近人们对它的兴趣显著增加。2013年，联合国粮食及农业组织(粮农组织)举行了一场国际会议专家研讨会(PDF)并计划今年秋天再做一次。

美国国际开发署是投资多年生高粱研究比尔和梅林达·盖茨基金会(Bill and Melinda Gates Foundation)提供了资金一项研究关于多年生小麦、高粱和鸽豌豆在五个非洲国家的风险和收益。

尽管如此，由于不同谷物的遗传、育种技术、生长条件和研究兴趣的不同，进展并不均衡。据克鲁斯说，多年生小麦是美国土地研究所的一种关键作物，它的产量还需要几十年才能与年产小麦持平。多年生玉米的研究甚至更落后。

根据2013年粮农组织会议记录，在主要主食中，只有多年生水稻“接近现实”。

关于多年生稻和一年生稻杂交的最早报道出现在20世纪80年代。受这些成功迹象的鼓舞，IRRI在20世纪90年代中期建立了一个育种项目，旨在帮助贫困的自给农民抗击陡峭山坡上的水土流失。

由于研究重点的转移，它在2001年被放弃了，但在那之前，云南农业科学院的遗传学家陶大运(Dayun Tao)已经做出了有希望的杂交，最终将产生PR23。

这是一项重大成就。多年生稻和一年生稻是近缘但截然不同的物种，这使得杂交变得困难。通常，受精发生时胚胎不能存活。陶使用了被植物育种家称为“胚胎营救”的方法，工作人员把这个过程比作把一个早产儿放进保温箱里。一旦植物通过了这个瓶颈，后代就能够正常繁殖。

多年生水稻很快就要离开试验田了

陶和他的同事们，包括胡在内，下一步是改进杂交品种，选择最好的品种。在中国国家科学基金会(National Science Foundation)和最近的土地研究所(Land Institute)的资助下，他们在典型的低地土地上采用传统种植方法开展了一系列田间试验。

胡说，尽管他还没有在同行评议期刊上发表任何关于PR23和其他几个品种的表现的论文，但PR23和其他几个品种现在已经足够好，可以向云南的农民发放。

然而，多年生水稻绝不能经受住高地贫瘠土壤、缺水和极端温度的严酷考验。其中一个挑战是引入基因，这些基因可以指示植物进入休眠状态，并在旱季停止叶片生产，以保持水分;另一种方法是让植物适应旱地常见的酸性土壤。

澳大利亚查尔斯斯特大学的常年谷物专家Len Wade说:“随着我们进入越来越极端的环境，我们将不得不开发出越来越好、特性更多的材料来适应它们。”他是胡的团队的顾问，并协调了在老挝的试验。所以这里没有一个答案。它需要一系列答案或一系列目标。”

然而，这些进一步的改进是关键，因为最迫切需要传统水稻替代品的地方，往往也面临着最艰难的生长条件。例如，在老挝北部的山区，农民通常在3月或4月焚烧一小块一小块的森林，并在灰烬上撒上水稻种子。

在植物有机会长出强壮的根之前，大雨冲走了土壤，沥滤了养分。产量下降，杂草入侵，农民在两到三年后离开。

“土壤质量下降得非常快，”参与试验的老挝农学家Pheng Sengxua说。目前，这些试验只在地势更平坦、土壤更好的更有利的南部地区进行。他说:“人口增加了，森林正在被山地农民破坏。老挝政府希望减少砍伐和焚烧等旱地农业系统，以减少水土流失和森林砍伐。”

韦德说，这引起了政府对来自中国的新品种的兴趣，这些新品种带来的好处不仅仅是粮食。一种可以在地里种植数年的水稻可以保存土壤，并在旱季提供干草、饲料和燃料，使其成为丘陵地区可持续农业系统的关键要素。

这种多年生水稻在世界上一些最困难的生长条件下能够茁壮成长的愿景仍然是遥远的。但在接下来的几年里，中国农民就可以获得PR23，一种不同于历史悠久的水稻品种。对于多年生谷物研究界来说，这本身就是一个重要的里程碑。