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《经济学人》:农业的未来

作者:     来源:《经济学人》杂志     发表时间:2016-06-29     浏览次数:     字号:    

 

[编者按]如果农业的使命仍然是养活全世界的人口,它需要更加工业化更加精准,更加智能,并且更加科幻…,《经济学人》杂志于6月初推出重磅报道《农业的未来》,全景描绘了未来农业的图景。这里是其中上篇,下篇稍后推出。基因农业网编译报道(Panda翻译,GLHF校对)。

 

新兴工业化农场

汤姆·罗杰斯(Tom Rogers)是加州中部山谷地区罗德拉郡的农民,他种植的作物是鲜美而富有营养的杏,并且利润颇丰。全世界80%的杏产自加州,这里的农民由此获益约110亿美元。不过,杏喜水。6年前,两位荷兰研究人员估算,每产出一颗杏,需要耗费约1加仑的水。这里还只是指美制加仑,即约3.8升,而不是英制加仑,约相当于4.5升,不过,这种耗水量仍然相当可观。而水是要花钱买的。

好在有了新的技术,可助罗杰斯先生一臂之力。像试验室小白鼠一样,他的农场被划线围起来。或者更准确地说,是被“无线”围起来。水分探测仪被安插在杏树林中,随时监测土壤中的水分变化情况,并将监测结果发送给云端计算机(一类服务器网络的总称,在世界级大型计算任务中开始扮演越来越重要的角色)去分析。分析结果返回到农场中的灌溉系统——成排的滴灌带(即戳有小孔的软管)并且根据需水量由水泵进水。

这种灌溉系统与蔬菜大棚中使用的水培法类似。每隔半小时,系统就会根据云计算的结果精确校准需水量,并可根据需要与特定量的肥料混合,通过滴灌带输入土壤,对每一棵树进行精准喷施。每一棵树的树干两侧的施水量都有可能不同,经验数据表明,树的某一侧往往会吸收更多水分。

在安装这套系统前,罗杰斯先生需要每周为他的农场浇一次水。这套新设备带来了少量多次灌溉的技术,使得总体用水量减少了20%,节省开支的同时还为罗杰斯先生带来了荣誉。加州已遭受了四年大旱,在节水方面不但有社会和政治压力,当然也还有财政压力。

罗杰斯先生的农场与种植价值高但需水量大的作物(如开心果、核桃和葡萄)的其他农场一样,正走在引领精准农业的最前沿,这类技术也被称为“智慧农业”。不仅仅是种植水果和坚果的农民从中受益,我们一般称为“大田作物”(覆盖美洲中西部地区的玉米和大豆等作物)的种植也开始现代化了。播种、灌溉、施肥以及收获,都可以通过电脑控制。就连它们生长的这片土地,都可以实现对每一英寸土壤情况的监测。

然后,农场会变得越来越像工厂:严格控制运行,生产出可靠的产品,对异常的自然情况更具抵抗力。感谢对DNA的进一步了解,农场中培养的植物和动物也能够被严格控制了。精准的遗传学操作(基因组编辑)技术使得对作物或牲畜基因组的改变有可能缩减到单个遗传“密码子”水平上。相对于早期在物种间进行整个基因转移的基因工程技术(转基因)而言,这种技术有望被消费者更容易接受——因为基因组编辑技术仅仅只是模拟了作物体内自然发生的突变过程,常规作物育种正是利用了这类突变,但基因组编辑技术的可控性远远高于常规育种。

了解一个作物的DNA序列也意味着对其进行的育种过程可以更加精准。不用等到将一棵植物养到成熟期就能发现它是否具有你想要的某些特性,你只需要直接检视它的基因组就可以了。

这种硬件上、软件上以及“活件”上的技术变革已经超越了农田、果园和牲口棚。鱼类养殖也将因此而受益。已经应用上最严格控制和精准的农业技术的室内园艺,也还将进一步发展。

短期来看,这些进展将通过减少开支和增加产量大幅提升农民的收益,从而也将使消费者(指每一个消费这种食物的人)通过更低的商品价格受益。从长远来看,它们可能还有助于解决日益紧迫的问题:如何在不对地球土地和海洋资源施加过多压力的前提下养活未来的世界人口?预期到2050年,这个星球上的人口将由现在的73亿增至97亿。这些多出来的人口不仅仅有吃饱的需求,甚至还有比现在人们吃得更好的需求,因为到那时,地球上大多数人将具备中等收入水平,许多人甚至会达到富裕水平。

 

 

图:世界菜单正在发生变化
每人每天所需要摄取的热量(以食物类型分)。谷物、根茎类和豆类;糖类;植物油;肉类;乳制品;其他

联合国粮农组织(FAO)机构负责思考这类问题,该组织于2009年公布了一份报告,认为到2050年时,农业生产力需要在现在的基础上提高70%,才能满足那时全球人口对食物的需求。由于全球大部分适宜于耕作的土地已经处于使用状态,总体生产力的增长必须依赖于更高的产量。农业在过去几个世纪已经经历了几次产量飞跃,包括第二次世界大战前的农业机械化以及二十世纪五六十年代发生的“绿色革命”所带来的新作物品种和对农业化学品的使用。不过,在世界上许多密集农耕地区,一些重要主粮作物(比如水稻和小麦)的产量已经不再继续增长,这种现象被称为产量增长瓶颈。当前最佳农事操作的普及无疑会让其他地区的产量提升到同样的瓶颈水平,但如何突破这个瓶颈,还需要技术的进一步发展。

这将是个大的挑战。农民出了名的对于改变很敏感且容易持怀疑态度,因为失败的成本(有可能会让整个种植季的收获陷入一团糟)实在太高了。但如果精准农业和基因组学如预期发挥出大部分作用,另一种变化可能即将到来。

智能农场:当硅谷遇见中央山谷

在多种表象的背后,信息技术已悄然接管农业

有一种看待农业的角度是将其视为线性代数的一个分支。农民必须持续地应付一系列变量,比如天气、土壤含水量和营养水平、杂草对作物的竞争、病虫害对作物健康的威胁,以及处理这些事情所需要采取措施的花费成本。如果这位农民自己的算术学得好,或是让别人代表自己进行正确的运算,他将使自己土地上的产量最优化,并将自己的收益最大化。

不过,“智慧农业”有两重含义。一方面是对可能会出现在运算矩阵中的变量尽可能准确且低成本地进行测量。另一方面是尽可能地减轻农民在处理这些矩阵运算时的负担,把这份繁杂的工作交给可靠的机器去做。

早期节约成本的精准耕作案例是由全球最大的农业机械制造商约翰迪尔(John Deere)公司在2001年做出的决定,当时他们为自家的拖拉机和其他可移动机械设备装配上全球定位系统(GPS)感应器,以便在地球上任何一个角落找到这些机械设备,定位偏差仅有几厘米。这就有可能避免农耕机械在农场中来回穿梭作业时常见的一些问题,比如在同一块土地上进行重复作业,或是漏掉另一些地块。这样做的好处是不仅减少了燃油的费用(某些情况下甚至能节约40%的燃油),并且提高了如喷施肥料、除草剂和杀虫剂等机械作业的均一性和有效性。

 

农耕系统中的小家伙——细菌和真菌有益于作物和土壤健康

尽管微生物通常给人留下致病的坏印象,便有些微生物也能够在农业中起到有益作用。比如,它们能捕获空气中的无机氮并经固氮作用转变成可溶性氮用作天然氮肥。了解并将这类微生物应用于农业实践中,正是农业生物技术快速发展的一部分。

 

现在,随着孟山都与一家丹麦公司诺维信Novozymes)之间进行的合作,该领域有了新的领军人物。

 

合作项目名为BioAg,始于2013年,目前已经有十几个微生物产品上市。包括杀真菌剂、杀虫剂以及一些益虫,这些益虫可将氮、磷、钾化合物从土壤中释放出来并增加其溶解度,从而能够被作物更好地吸收。去年,这两家公司的研究人员进一步测试了2000多种微生物,以期寻找有可能帮助玉米和大豆增产的菌株。其中表现最好的菌株能够为这两种作物带来约3%的产量增长。

 

201511月,先正达与一家荷兰公司DSM达成了类似的合作协议。而早些时候,20154月,杜邦收购了一家加州的微生物公司Taxon Biosciences。前途大好的新兴企业也大量涌现。其中之一是位于波士顿的Indigo。这家公司的研究人员对其保存的约4万种微生物进行田间测试,看它们是否有助于缓解棉花、玉米、大豆和小麦等作物在干旱和高盐环境下的压力。另一家公司名为Adaptive Symbiotic Technologies,位于西雅图。这家公司的创始人是研究植物共生真菌方面的科学家,他们相信自己找到了一种微生物,天然地与一种沿海生长的稗草共生,当这种微生物被转移到如水稻之类的作物中,可使作物产生对盐的耐受。

 

不过,大赢家可能还是促使如小麦之类的作物根部与土壤固氮菌之间形成良好的共生关系。这类关系与豆科作物(如大豆)和固氮菌之间形成的天然共生关系相似。在豆科作物中,植物的根系会长出特殊的根瘤,为固氮菌提供生长的家园。如果通过遗传育种或是基因组编辑,也能够促使小麦的根茎长出根瘤,表现出吸引固氮菌的类似行为,那么每一个人都可以从中得到巨大的利益,当然,化肥工厂除外。


自那时起,就不断有新的技术加入。高密度的土壤取样每隔几年就进行一次,追踪诸如矿物质含量和孔隙率等土壤特性,可用于预测一片农田中不同地块的土壤肥力。精确绘制的含水量地形分布线有助于指示水分的走向。安插在土壤中的探测器可监测不同土壤深度的水分含量。某些探测器还能指示营养物含量及其因施肥活动而发生的变化。

所有这些都让精准播种成为可能,也意味着作物的种植密度可根据局部条件而相应变化。约翰迪尔的设备在播种时的精确度能够控制在3厘米误差范围内。此外,收获作物时,玉米粒或大豆籽流入收割机贮藏器中的速度也能够实现实时监测。这些信息如果与GPS数据相结合,能够创建出一幅产量分布图,显示这片土地上哪一些地块的生产率更高或是更低——从而判断每块土壤的实际情况与感应器预期值之间的误差有多大。这些信息随后会用于指导下一个种植季的播种模式。

图:土壤电导率(大约相当于土壤含水量)和作物产量的校正(略)

农民还利用飞行设备来收集信息。飞行设备能够测量作物覆盖度并区分作物与杂草。使用一种名为多光谱分析的技术,这类飞行设备观察植物吸收或反射不同波长的光的强度,从而发现哪些作物长势正旺,哪些长势衰。

装配在可移动机械上的传感器甚至能够在移动中进行测量。比如,安装在拖拉机喷雾吊杆上的多光谱传感器可以估算将要进行喷施的作物对氮的需求,并据此进行适时调整。因此,一个现代化的农场会产生大量数据,但它们需要解释才有意义。正因为如此,信息技术必不可少。

平台入场券

在过去的几十年中,大型公司已经发展到能够满足商业化耕作的需求,尤其是美洲和欧洲的一些公司。其中一些是设备制造商,比如约翰迪尔。另一些则出售作物种子或农业化学品。看起来这些公司似乎还在不断地发展壮大中。陶氏和杜邦这两大美国巨头正在计划合并。另一家美国大公司孟山都则成为德国公司拜耳的潜在收购对象。而瑞士公司先正达正在与中国企业中国化工集团达成出售协议。

商业模式也在发生变化。这些公司都不再单纯地只出售机械、种子或是化学品,它们都在尝试着开发多线程运算的软件平台,以此作为农场管理系统。这些专用平台将从单个的农场中收集数据,并交由云端服务器来处理,包括农场的历史、已知个别作物品种的表现行为以及当地的天气预报。软件随后会对农场主提出建议,或许还会引导他们去购买该公司的其他一些产品。
尽管机械制造、新作物育种或是农业化学品生产都需要很高的准入壁垒,任何一位商人都有可能将这些基于数据的农场管理系统整合到一起,即使他没有任何农业方面的运营经验。并且许多人真的就这么做了。比如,位于硅谷南端桑尼维尔的天宝导航(Trimble Navigation)就认为,作为一家完善的地理信息管理公司,它完全有能力将自己的名为Connected Farms系统推入智能耕作的市场。该公司已经于去年收购了一家加拿大农业咨询公司AGRI-TREND

相比之下,位于堪萨斯州欧弗兰帕克的Farmobile只是一家刚起步的小公司,它将目光投放在那些重视隐私的客户身上,其特色是不使用客户的数据来销售其他产品,这一点与许多农场管理系统的理念不同。位于爱荷华州达文波特的农民商务网(Farmers Business Network)则采用几乎完全相反的模式,以合作式数据库经营。数据库中的数据是匿名的,但鼓励任何加入其中的成员都向该数据库提交数据,作为回报,他们可以分享数据库的使用权。其经营理念是,所有参与者都将从多线程互作的更好解决方案中获益。

有些公司专注于市场空隙。比如位于法国蒙彼利埃的iTK,它专门从事葡萄相关产业,并已建成用于描述所有主要品种表现行为的数学模型。该公司的市场现已扩展到美国加州。

多亏这类农场管理软件的不断推广,只要传感器能够检测到,就会有越来越多的数据可以被更好地利用起来。而且,更好、更便宜的传感器也在进一步研发和完善。比如,水分传感器通常是测量土壤的电导率或电容量,但一家位于加州圣克拉拉的WaterBit公司则采用一种不同的技术,据称只有现有产品成本的十分之一。约翰迪尔出售的一种传感器也能够通过光谱法测量液体肥料中氮、磷、钾化合物的含量,由于液体肥料是通过喷施法使用的,因此根据测量值能够在喷施过程中实时调整肥料用量。这就解决了液体肥料难以标准化的问题,因为虽然液体肥料很好,但与已经商业化的成熟产品相比,它的困难之处在于喷施量的控制。

空中设备也在发生改变。根据人类操纵飞行早期的经验总结,农业无人驾驶飞行器的制造商正在对一系列设计进行测试,以期找出最适合携带多光谱摄像头飞过农场上空的装置。某些公司如科罗拉多州博尔德的Agribotix更喜欢四轴飞行器,这种四驱发动机的现代设计装置已经成为小型无人机的行业标配,虽然它的飞行范围和时长均有限。一种流行的替代装置是由位俄勒冈州威尔逊维尔的HoneyComb公司开发的AgDrone,这是一种单引擎飞行翼,看起来就像是从20世纪50年代航展会场逃出来的模型。另一种是由北卡罗莱纳州罗利的PrecisionHawk公司开发的Lancaster 5飞行器,差不多与第二次世界大战中使用的轰炸机一样大。此外还有由位于法国图卢兹的Delair-Tech公司研发的飞行器,可支持滑翔机装配长而窄的机翼,以长时间保持空中飞行状态。

不过,即使是可长时间飞行的无人机,也可能需要在一次飞行中完成超大农田面积的数据调查。因此,某些农场主从长期的支持性观点考虑转而寻求卫星的帮助。位于旧金山的一家名为Planet Labs的公司提供这类服务,他们使用一种被称为CubeSats的装置提供测量精度高达几厘米的数据。它在卫星轨道中持有一支约由30只卫星组成的小型巡逻舰队,一旦有旧设备淘汰,就利用商业发射火箭将新设备送入轨道完成替换。感谢现代光学的发展,即使是这么小型的卫星也能够装备上多光谱摄像头,虽然其分辨率仅有每像素3.5米(约合10英尺)。这个水平的分辨率对外太空摄像来说可不算低,但远远不及无人机摄像头的水平。

不过,卫星覆盖在数据采集范围和频率方面都有优势,而无人机一般只在其中某一方面具有高质量优势。Planet Labs的卫星舰队能够至少每周一次对地球表面指定的土地进行拍照,因此它们会很快被发现那些出问题的地区,并能够进行更为细致的检测。

最佳的解决方案是整合飞行设备和卫星覆盖,这正是位于旧金山的Mavrx公司在努力实现的目标。它用类似“优步”的统筹方式取代无人机,与全美范围内约100架轻型飞行器签订合约。每架签约的飞行器都装配有多光谱摄像头,随时准备按照Marvrx的要求执行任务。Marvx的摄像头分辨率为每像素20厘米,意味着它们能够很好地对每一株植物进行拍照。

Marvx
公司还将它的卫星照片外包出去,它的原始资料来源于Landsat以及其他一些公共卫星项目。它还有对这些项目资料库的存取权限,其中一些还包括30年前的照片。因此,Marvx公司能够核查特定农田在近几十年中的表现情况,计算这块土地上的生物量多少,与那里的作物生产率数据相关联。随后,在了解当前生长季中土地的生物量情况后,它就能大致预测本季产量。Mavrx的方法可按比例类推,扩展至整个地区甚至整个国家,在收获之前进行产量预测,提供强有力的经济和政治信息。

 

 



然而,一个真正自动化、工厂式的农场必须要完全地将人排除在外。这就意味着,与空中引入无人机一样,也要在地面也引入机器人,而现在正有一大批前景大好的农业机器人制造商在努力这样做。

在悉尼大学,澳大利亚农场机器人研究中心已经研制出了智能感知与精准应用型机器人(RIPPA),这是一种四轮的、以太阳能为能量来源的设备,它能识别出蔬菜田中的杂草,并将它们一棵一棵除去。此刻,它正在以精确的靶标剂量精准地对准每一棵杂草喷洒除草剂。不过,它(或是类似的机器)会改用微波光束进行除草,甚至是激光。那些不赞成使用化学药剂处理作物的消费者们终于满意了,进行这样除草处理的蔬菜是“有机的”。

对于不太挑剔的作物来说,明尼阿波利斯的Rowbot Systems公司正在研制一种能够在玉米植株行与行之间行走的机器人,可以在作物的旁边施加补充性的肥料而不会碾碎玉米植株。事实上,在飞行器多光谱摄像头对农场中每一棵植株的需求进行估算后,这种机器人将来有可能进行精准的按需喷施。

果树和蔬菜种植者们也同样对机器人很感兴趣,而这些行业目前多是依靠手工采摘。水果的采摘是一项非常耗时的工作,采摘者的回报率很低。一旦自动化,这一过程的速度会大大提高,成本也会更低。采摘机器人正在兴起。

由一家西班牙公司AGROBOT制造的SW6010机器人通过装配的摄像头识别草莓,并分辨哪些已经成熟,可以采摘。它们用刀片切断那些被认为成熟的果子的茎杆,用篮子接住,通过传送带交由坐在机器人上的人类操作员进行包装。在荷兰,瓦赫宁根大学的研究人员正在研制一种收获机器人,用于较大的农产品收割,比如辣椒。

所有这些上述仪器设备,以及其他类似的产品仍然还散发着希思·鲁宾逊(Heath Robinson)式的漫画气息。但机器人技术正在飞速发展,运行这些机器所需要的控制系统一天比一天变得更好也更便宜。有人认为,只需十年左右的时间,发达国家的许多农场都可以通过机器人来操作。(注:William Heath Robinson,英国漫画家和插图画家,他通过古怪复杂的画面展示只会表演简单或荒唐动作的“鲁宾逊式小玩意儿”,来讽刺机器时代)

不过,还有其他一些人很想知道农民对自己农场“机器人化”的意愿有多强烈。自主引导式的农业机械(比如约翰迪尔出售的那些机械)几乎都变成机器人的工作了。它像一架客机,其中飞行员通常在起飞和着陆之间并没有什么事情做,因为电脑替他把所有的事情都做了。不过,约翰迪尔尚没有计划完全将控制权交给云端系统,因为这不是它的客户们想要的结果。

隧道版本

如果完全控制户外耕作似乎看起来还有些遥远,对一个完全人工环境中种植的作物进行远程控制已经近在眼前。在伦敦南部,克拉珀姆地下隧道的农场中,“地下种植”(Growing Underground)公司正在做着名符其实的事情。第二次世界大战中建起的防空洞的地下空间开始了新的生机,它在这里种植着约20种用于制做色拉的植物,拟出售给城里的大厨和三明治商店。

在许多方面,“地下种植”的农场与其他任何室内无土栽培农场都很相似。但有一个最大的不同。传统的温室都有着玻璃或聚碳酸酯类的墙壁,也就是说阳光越多越好。而“地下种植”公司则特别排除了这一点。相反,这里的光照是由发光二极管(LED)提供的。在无土栽培的极简主义精神下,这些LED灯的光谱进行了精确的调整,它们发射出的光线是植物光合作用所需要的最佳波长


正如你所期望的那样,由传感器观察一切:温度、温度、光照,并将数据直接发送给剑桥大学的工程学院,与植物的生长信息一并进行处理,为未来的作物栽培制定出最佳的方案。

目前,“地下种植”公司的老总史蒂芬·德林(Steven Dring)将种植作物的类型限定为如小生菜和海蓬子这类能够很快长到收获体积的草药和蔬菜。他将香菜的生长周期从21天缩减至14天。不过,测试表明,该系统也同样适用于其他体积较大的作物。已经成功地用这种方法种植了萝卜和胡萝卜,虽然它们在地下种植未必会获得足够的利润。但是,对于在伦敦郊区如克拉珀姆的时尚白领中很受欢迎的中国蔬菜——白菜来说,这种种植方法也适用。目前,从开始种植白菜到收获需要5周的时间,而德林先生认为他能够让时间缩短为3周,其利润就很可观。

制造LED的公司也可以带来好东西。德林先生来自于一家芬兰公司Valoya。在瑞典,Heliospectra公司也在经营着同样的业务。荷兰电气巨头Philips也加入了这个阵营。在传统的温室中,这种光线是用于补充不足的太阳光,而在德林先生的无窗种植环境中,它们所发挥的作用日益增大。虽然它们不像太阳光一样免费,但它们是如此高效而持久,其光谱优势似乎很明显(见图表)。

这类种植其实没必要非得在地下进行。像德林先生这样的耕作方式也可以在大厦的楼顶上进行。在世界各地,旧式的肉类加工作坊、工厂和仓库的都开始转变为“垂直农场”。虽然它们无法让全世界填饱肚子,但它们也远不止是一时狂热。相反,它们是这片土地被城市扩张所吞噬之前曾经繁华在城市边缘——就像克拉珀姆这样的地方——的市场花园的现代化版本。有了它们对输入的精准控制,输出也变得精准(见下文“脑部扫描”),它们还代表着农耕方式可能的终极模样。

 

未来作物:修修补补

农场需要更好的产品。对基因组的进一步了解可以实现这一目标。

C4
,这个名字听起来像是上世纪70年代电动汽车的失败作品。事实上,它是植物分子生物学中最重要的概念之一。

10亿年前,光合细菌与植物祖先的细胞共生而居,植物细胞由此获得了光合反应的能力。这些细菌留下的后代被称为叶绿体,它们位于植物细胞内,吸收太阳光,并利用太阳光的能量将水分解成氢和氧。得到的氢随后与二氧化碳化合形成小分子的中间物质,随后被组装成糖类。这种光合反应被称为C3反应,因为其形成的中间物质含有3个碳原子。不过,由于叶绿体形成之后,植物进化出了光合作用的另一途径,形成了含有4个碳原子的中间物质。C4类型的光合反应往往比C3类型更高效,尤其是在热带气候环境中。起源于热带地区的几种重要作物就使用C4途径进行光合反应,如玉米、小米、高粱和甘蔗。

C4
类型光合作用如此之有用,因而它已经在60多种不同的情境下发生了适应性进化。不幸的是,水稻的祖先并没有包括其中。而水稻是全球第二大重要粮食作物,仅次于小麦。对于水稻这种表现已经非常突出的热带作物来说,如果它能够采用C4途径,其产量会比目前产量增加50%。在马尼拉城外的洛斯巴尼奥斯,国际水稻研究所的研究人员正试图展示如何实现这一目标。

由保罗·奎克(Paul Quick)负责协调的C4水稻项目是一个全球性的计划,参与者还有来自亚洲、澳洲、欧洲和北美地区其他18个实验室的生物学家。其任务涉及到向水稻中添加5个外源酶,在水稻中构建一个额外的生化合成途径,对某些植物叶片细胞进行重新组合形成特殊的环境,让二氧化碳在这里能够以C3途径所没有的方式被富集。这些反应往往在其他植物中天然存在,因此通过人为操作实现这类反应并不是什么难题。该研究小组已经得到了一些含有玉米基因以产生这些额外酶类的水稻株系,目前他们还在对这些基因序列做微调,以提高其效能。更艰巨的工作是找出实现这类转变需要哪些遗传变异,而这或将再花费10年时间。

因此,C4水稻项目旨在通过突破产量瓶颈,让全世界再次重温绿色革命时代那种激动人心的增产速度。其他同样充满动力的团体也在努力让更多作物能够抗旱、抗高温、抗冻、抗盐碱;诱导作物对病虫害更强的免疫力;提高作物的营养价值;使作物更高效地利用水和磷等资源,甚至让没有固氮能力的作物也能够从空气中直接获得这种蛋白质合成所必须的成分,而不需要从土壤中以硝酸盐的形式吸收氮。这类创新作潜力是巨大的;可惜,由于技术和社会两方面的原因,它们目前还没有发挥出应有的潜力。不过,这种状况应该很快有所改观。

转基因作物初期见证了两个巨大的成功和一个壮观的失败。所取得的成功是向许多作物(尤其是玉米、大豆和棉花作物)中转入了两种基因。这两个基因都源自于细菌,一个能够保护宿主远离讨厌的害虫,另一个能保护宿主不受特定除草剂的伤害,也就是说,那些除草剂能够更有效地为农田除草。这两种转基因性状都深得农民喜爱。

最大的失败是,它们俩都不受消费者待见。有些人不关心这些性状,更多的人则积极反对。尽管几十年来并没有任何证据表明食用转基因作物有害健康,并且它们对环境造成的影响也很小,却仍然被遗弃

因为棉花不是食物,而大豆和玉米最主要还是作为动物饲料,所以反转运动在这些作物上的影响已经销声匿迹。但无论是扩大转基因作物的应用范围还是扩大现有转基因性状的应用范围,这些想法(除少数例外)在商业上都被认为太过冒险,不值得尝试。此外,转基因(即将基因从一个物种转移到另一个物种的技术)事实上是一个偶然事件。很难控制被移动的基因插入到基因组哪个地方。对基因而言,这一点很重要,插入基因组的某些地方比其他地方的效果更好。

量身定制

因此,搜索在这方面一直是比转基因更好的方式。还有一个是最近新出现的技术,它的支持者希望它能够一石两鸟突破技术方面和社会方面的双重障碍。这种新方法称为基因组编辑,它通过插入、删除或替代一小段DNA的方式在基因组中进行原位修饰,改动的序列甚至可以少到单个遗传字母(或是核苷酸)。这不仅使得这项技术很精准,它还类似于天然发生的突变过程,而天然突变则是所有常规植物育种的基础。这种技术或许不致在消费者中引起太大争议,并且有望监管部门会以不同于转基因的方式对待它。

在一系列的出师不利之后,大多数研究者一致认为,一种名为CRISPR/Cas9的技术正是让编辑作物基因组具有现实前景的技术,它来自于细菌切割入侵病毒的系统。转基因技术已经避开小麦,因为它主要是给人吃的。但杜邦的种子部门——先锋公司已经开始尝试用CRISPR/Cas9来阻止小麦的自花授粉,让杂交种的培育更加容易。同样,中国科学院的研究人员正在使用这种技术尝试开发抗白粉病的小麦,白粉病对小麦的危害很大。

目前,在农作物上进行的基因组编辑也并非都使用CRISPR/Cas9技术。比如位于圣地亚哥的Cibus公司就采用了一项名为快速性状研发系统(RTDS的专有技术,它选择一种细胞中天然存在的DNA修复机制来对基因组进行单核苷酸的改变。利用RTDS已经研制出了一个商业化产品,它能够耐受常规的转基因油菜无法耐受的除草剂。不过,当前CRISPR/Cas9的势头正劲——即使它因为某些原因而失败,其他的细菌性抗病毒机制也可以介入。

消费者是否会接受基因组编辑还有待观察。但是,没有人会反对作物改良的第二大快速方法:一种名为基因组选择的高效率育种技术。

基因组选择是分子标记辅助选择的一个更高级版本,而后者本身正在取代常规的作物育种技术。基因组选择和分子标记辅助选择依赖于识别在所谓数量性状位点(QTL附近发现的被称为分子标记的特定DNA片段。QTL是基因组中含有一个或多个基因并且具有对表型的可观测效应的一部分。如果分子标记存在,就能找到相应的QTL。据此关系可认为带有分子标记的植物应当会显示出相应QTL对表型的贡献。

常规的分子标记辅助选择和基因组选择之间的差异在于,前者依赖于数百个分子标记(比如DNA串联重复的地方),这些位点通过特定技术发现并使用。而现在,检测方法的改进意味着单核苷酸多态性(SNP)能够作为分子标记使用。SNP是单个遗传字母发生变化的地方,而基因组其他部分保持不变。SNP有数千个。

再加上目前计算机强大的处理能力,有可能将SNPQTL之间关联起来,并分析QTL自身之间的相互作用。结果会得到一个有效的系统,能够告诉育种家哪些植株值得继续培养,而哪一些应该相互杂交以得到最好的结果。

通过这种方式得到的作物品种已经进入市场了。AQUAmaxArtesian是分别由杜邦和先正达研制的抗旱玉米品种。有趣的是,这两个品种都是孟山都利用转基因方法研制的抗旱玉米DroughtGuard的竞争对手。

基因组选择还为作物的科学改良提供了机会,而种子公司往往忽视了这一点。NextGen Cassava Project是一个泛非洲组织,计划以这种方式降低木薯对木薯花叶病毒的易感性,然后系统性地提高作物产量和营养特性。该项目的研究人员已经鉴定得到了40000个木薯SNP,并且已经将这些SNP标记进行了三代的基因组选择。

 


除了让木薯抗病毒,他们还希望最终获得的品种的产量翻番,并且淀粉特性增强(由此增加木薯的营养价值)。如果现代技术能够以相似的方式应用于那些大型种子公司不怎么感兴趣的小作物上,比如谷子和红薯,其产出回报可能会相当丰厚。

长期来看,某些研究人员有着更大的野心。去年,美国农业部农业研究服务中心的唐纳德·奥特(Donald Ort)和他的同事们提议不仅要重现进化而且要以尚未发现的进化方式真正重新设计光合反应过程。奥特博士建议对叶绿体分子进行调整以捕捉光谱频率更广的光能,并以更有效的方式分配这些能量。他还在努力改良植物吸收二氧化碳的途径。他希望能够得到生长速度更快、更高产的作物。

这种想法是有争议的,并且可能需要几十年的时间才能取得成果。但它们并不是凭空幻想。转基因(从光合细菌中引入新形式的叶绿素)、基因组编辑(增强植物体内现有的光合途径相关酶类)和基因组选择(组合优化)等手段的组合或许能够很好地实现这些目标。

那些将这类作物改良手段视为非天然甚至怪物的人应该想想,现代植物祖先一路走来变成今天这副模样,背后发生的是完全一样的故事,这是一场细菌与其宿主的相遇,随后因互惠互利而发生的共生适应调节。创世之初,正是这种进化飞跃让地球变成绿色的星球。至少我们应该考虑一些可能让它再次绿化的类似方式。

……

迎接2050

无论是富人还是穷人的世界,技术都将改变农民的生活

人类进步中最伟大的默默无闻的成就之一就是大多数人都不再在土地上劳作。这并不是在贬低农业。相反,这是对工业界巨大生产率的增长的褒扬,而这些成就几乎都是技术在农业机械、肥料和其他农业化学品等领域的应用所带来的,同时还有经科学改良的作物和牲畜。

1900
年,美洲约有41%的劳动力在农场中工作;现在,这一比例已经不足2%。稍落后的国家中,这种效应没有那么明显,但其发展趋势是一样的。2007年,城市居民在世界总人口中所占的份额达到50%,这一数字还在不断地上升,生活在农村的人口所占比例不断缩小,却仍然能够养活城市中的大多数人口。

没有水晶球能够预测这种趋势是否会继续,但从过去的发展趋势看来,联合国粮农组织(FAO)表示,到2050年地球上的食物产量必须比2009年时增加70%,这个数字看来非常合理。即使某些作物在世界上的某些地区已经达到了产量瓶颈,谷物类作物的产量在FAO做出上述预
测后六年内已经增加了11%。马尔萨斯做出对人口增长速度将超过粮食供应的担心距今已有218年,目前尚未成真。

然而,正如托马斯·马尔萨斯(Thomas Malthus)有他现代拥护者,他的神话般的当代盟友内德·卢德(Ned Ludd)也是如此。新卢德主义曾经存在过的威胁,可能会要求放慢新技术发展速度——事实上,转基因领域确实发生了这样的事情。不过,虽然那些能吃饱的人对不吃含有转基因成分食物保持挑剔的态度无可厚非,他们的恐惧已经让转基因作物的发展笼罩上了一层阴影,而这些作物有可能帮助那些吃不饱饭的人填饱肚子。这不合理。所幸新一代的基因组编辑作物(或者甚至还有动物)或将不会激起如此强烈的反响。

不过,无论是否如此,其他一些趋势似乎肯定会走向未来。精准农业将从其北美腹地传播出去,成为欧洲和南美一些国家的常规手段,比如以大型农场耕地为主的巴西。而另一些人(很有可能在中国)将找到合适的方法,将现在应用于大豆、玉米和其他作物的精准编辑技术应用到水稻中去。

精准农业的技术原理表明,农业应该继续巩固,但在一个纯经济学分析认为情绪和家庭延续总是能占到不合理的重要性地位的行业中,这种趋势的发展恐怕不会像预期的那样快。不过,无论以怎样的速度,这些大型农业经济体将会越来越类似于制造业,榨干土地和机器的最后一点效率。

这样的大型农场很可能会继续由大型公司来提供种子、种苗、机械和管理计划等服务。不过,对于管理计划而言,有更好想法的新兴公司还有机会进入并抢占至少一部分市场。

对企业家而言,还有其他一些机会。内陆渔业养殖和城市垂直耕作——虽然与美国中西部的大豆种植或苏格兰海湖鲑鱼养殖场相比,经营规模很小——都是为高品味精致城市居民服务的未来潮流。在这些业务方面,工厂式农场的概念是合乎逻辑的结论。

不过,在世界贫困地区,填饱肚子的战争有可能胜利也有可能失败。尤其是在非洲,变化的范围庞大且不可预测。虽然非洲农业的问题绝不是单纯的技术问题——更好的公路、更好的教育以及更好的政府,所有这些条件放在一起或将有很大帮助——但技术在其中具有很重要的作用。像NextGen Cassava Project这样的组织应用最新的育种技术来降低作物对病害的易感性,同时提高它们的产量和营养价值,从而为非洲提供了一个农业在未来能有飞跃式发展的机会,就像电话在这里的发展经历一样,他们绕过了固线网络,直接进入了移动电话时代。在未来的几年内,作物的发展也可能同样从18世纪水平直接跃上21世纪的水平,即使这种从潜在到实际生产力的实现过程仍然需要上述各项条件的共同发展。

进一步展望未来,画面更加模糊。创造C4水稻、固氮小麦、增强的光合途径所需要的大规模遗传工程操作必将引起疑虑,或许不仅仅是新卢德派的顾虑。它们或许因此而不被需要。这是一个普遍的技术事实:想法远多于应用,而正直体面的人往往落后,因为其他人冲到了前面。不过,一旦产量瓶颈威胁到了食物供应的增长,那么当我们有想法并且这些想法可能实现时就会非常不错了。这意味着,2050年的人,无论他们住在洛杉矶、勒克瑙或是卢萨卡,都将至少能够在填饱肚子的情况下去应付任何其它可能存在的问题。

 

摘转自:基因农业网:http://www.agrogene.cn/info-3119.shtml

附原文链接:http://www.economist.com/technology-quarterly/2016-06-09/factory-fresh 

责任编辑:traveler
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