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【Nature特刊】围绕食品的现代技术革命

2017/05/02 来源:生物探索
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导读
4月27日的Nature围绕food security出了一期OUTLOOK特刊,这里food security是指食物是否充足营养的“安全”。其中农业多样性、作物生物工程、肉类的实验室培养和现代生物技术紧密相关。


4月27日的Nature围绕foodsecurity出了一期OUTLOOK特刊。这里food security可以译为食品安全,但不是指你有没有吃到有三聚氰胺的奶粉,而是指食物是否充足营养的“安全”。

我们来看看联合国粮农组织对food security的定义:指所有人在任何时候都能在物质上和经济上获得足够、安全和富有营养的食物以满足其健康而积极生活的膳食需要。这涉及四个条件:(1)充足的粮食供应或可获得量;(2)不因季节或年份而产生波动或不足的稳定供应;(3)具有可获得的并负担得起的粮食;(4)优质安全的食物。

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如何实现food security

特刊就是围绕着这个概念来说的:获得足够的食物是一种普遍的权利。自上世纪90年代初以来,考虑到关注过度消费和缺乏维生素和矿物质方面的增长,营养不良减少了约27%。虽然消除营养不良,实现全球粮食安全是一个雄心勃勃的目标。但按照目前的进度,联合国可持续发展的目标——到2030年底结束全球饥饿,可能无法实现(S6)。

农作物产量的提高每年都在变少。光合作用是仅存的尚未开发的过程;其中很多是效率低下的、生物学家可以寻找提高办法的过程(S11)。但是较高的产量并不能保证营养的含量。经济作物的野生近缘种包含了一个遗传上天赐的宝库,可能是提高现代主食质量的关键(S8)。农业方面的实践也有待用机器人在线升级,有打破农业中心原则的潜力(S21)。

增加和保障粮食生产只是确保粮食安全的一个步骤。S17刊登了对英国牛津大学粮食系统的研究员John Ingram的评论:需求绝不仅仅是满足,也是管理。例如在埃及,土地和水资源短缺是食品安全的一个障碍,通过减少浪费和消费模式的改变,人口的需求可能会得到更好的服务,而不是昂贵的土地复垦项目(S14)。

我们对肉类的胃口不是可持续的,随着全球人口的增长,肉类需求才得以增加。切换到其他蛋白质来源,包括模仿和实验室培养的方案,可以使我们获得减少畜牧业生产的环境效益(S18)。

这期的特刊分:Nutrition: A world of insecurity (S6–S7), Agrobiodiversity: Theliving library (S8–S10), Bioengineering: Solar upgrade(S11–S13) , Egypt: Spaceto grow(S14–S16), Perspective: Look beyond production(S17), Sustainability: Ameaty issue (S18–S20), Technology: The future of agriculture(S21–S23)七篇文章来介绍以上简介的内容。

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和生物技术革命相关的部分

其中Agrobiodiversity: The living library, Bioengineering: Solar upgrade,Sustainability: A meaty issue和现代生物技术紧密相关。

Agrobiodiversity: The living library


文章开头就展示了各种颜色和形态的番茄品种,这些野生品种的特性可以促进商业品种的多样化。植物育种计划受益于这种遗传多样性,来创造新的、有营养的作物品种,更有效的利用自然资源,并能应对严格的环境条件和具有破坏性的害虫和疾病。但是,如果要充分发挥植物育种计划的潜力,科学家们就必须在这些濒临灭绝的野生物种消失之前对它们加以保护,并找到它们的秘密。

文章中举了一些通过野生种改良番茄性状的例子,比如在台湾的世界蔬菜中心,科学家们在使用加拉帕戈斯群岛发现的野生番茄创造新的、抗多种病虫害的品种。这些野生的西红柿能抵御昆虫,这是因为它的毛状结构覆盖了叶子和茎。毛状体产生酰基糖和其它化合物,它们对广泛的昆虫具有排斥或毒性作用。科学家们预计估计要花大约五年的时间才能生产出具有抗虫特性的番茄商业品种。

研究人员也在改善西红柿的营养特性。台湾的世界蔬菜中心的科学家发布了橙色的、高β-胡萝卜素樱桃番茄品种,拟解决儿童维生素A缺乏问题。美国俄勒冈州立大学的蔬菜育种家和遗传学家Jim Myers也培育出了富含抗氧化剂的紫番茄。

保护作物多样性是实现全球粮食安全的重要手段。在世界各地,大约有1750个基因库以及植物园,拥有超过740万种种子或植物组织。比如在荷兰瓦格宁根大学的国家基因库遗传资源中心用于90%的样品。作物野生近缘种可以帮助我们继续更可持续的粮食生产,以及在数量和质量上的需求。

Bioengineering: Solar upgrade


光合作用是低效的,尽管它是一个被人们了解得最清楚的植物过程,还没有被人为利用地来提高作物产量。由于全球人口的增长,世界各地的非营利组织和政府投资研究优化并提高稻米、小麦和豇豆等农作物光合作用的产量。科学家们在实验室通过烟草、拟南芥甚至是绿藻来研究光合作用,将一个个基因突变来寻找植物对于光照变化反应的分子机制。去年11月植物生物学家Krishna Niyogi发现修饰过后的光合作用可以提高烟草生长的产量。现在研究人员将他们的修改转化为粮食作物。20世纪60年代起,通过农业现代化的绿色革命提高产量的技术可能已经达到了上限,尤其是小麦和水稻。科学家们希望随着光合作用的基因改良,能进入另一个高产的新时代。

植物捕获的太阳能用来制造细胞内的化学能,然后用它来固定二氧化碳和生产糖。这第二阶段称为加尔文循环,也可以更有效。这项工作正在进行中,但研究人员已经发现一些在加尔文循环中的变种酶能够更有效地固定二氧化碳。初步结果表明,这些植物的生物量增加了20 - 30%。

另外在又干又热地方生活的植物进行C4光合作用,其中第一步涉及生产一个C4化合物,而不是C3,比C3过程是多约50%的效率,因为它使用一个更有效的酶捕捉二氧化碳。牛津大学的植物生物学家Jane Langdale主持的C4水稻项目,旨在将水稻从C3植物转变到C4植物。

Sustainability: A meaty issue


30%的地球土地表面已经从事畜牧业生产,这一做法占近全球温室气体排放的15%。而且牛不仅排放了大量的甲烷,还因为牛肉的产量使用了大量的水。

转向更可持续的蛋白质来源既能缓解健康问题,也有助于应对气候变化。荷兰Maastricht 大学的生物学家Mark Post创造了第一个实验室生长的汉堡。他们在小麦和马铃薯蛋白、天然香料、椰子油中制造汉堡的植物成分。而动物组织血红蛋白或肌红蛋白是丰富的。血红素蛋白是肉的味道。现在研究团队产生了利用基因工程酵母在实验室制备血红素蛋白。这种汉堡目前在纽约11家餐馆中有售。

另外在过去的几年里,科学家们一直努力在实验室里种植牛肉。典型的做法是先从活牛身上采集肌肉细胞,然后在实验室里用营养丰富的血清喂养这些细胞,这样它们就可以长成肌肉组织。目前科学家们已经能在大规模的生物反应器中悬浮培养细胞,并能在无动物培养基中培养细胞。不过这些替代品的成功取决于人们是否准备吃它们。

参考资料

Food security