大米2.0 ?寻找更可持续的主食

这篇文章最初发表360年耶鲁大学环境经许可转载在这里。

一万年前，中国的古代居民收获野生稻粒，多年生草本植物成长为高大的沼泽和溪流15英尺。

晶粒小而红，在海浪成熟，经常打碎放入水中。他们的后裔转化那粒成高收益的一年生作物，今天养活了世界人口的一半。

当农学家F.H.国王参观了中国1909年的精心维护的水稻梯田,他所谓的男性和女性“农民耕种他们40世纪。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。

随着大米，视力终于已经接近现实。中国科学家正准备释放多种，他们说好了在低地稻田进行，并与更多的育种工作，最终可能茁壮成长贫瘠的土地为好。

“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）菲律宾。

她说，研究特别是可能影响到妇女，因为他们最经常负责手工种植水稻的辛勤工作每年春天在山区的小型农场。

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，连PR23（PDF），应变他们声称产量收成接近那些从常规稻四年或更多。

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。

批评者认为，然而，常年谷物如PR23永远将能够养活全球不断增长的人口。肯尼斯·卡斯曼在内布拉斯加州，其工作重点是对全球粮食安全的大学的农学家，说费尽了全球限量的农业科研经费的更大的份额常年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。

“这么多的问题，我们认为作为封装农业的一部分 - 营养渗漏，水土流失，碳损失，杂草入侵 - 实际上这严重干扰的生态系统的属性，”说蒂莫西·克鲁斯，在研究主管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。

为了提高产量常年，工作人员解释说，植物育种者必须哄多年生植物分配能量馅饼种子生产的更大份额。他们还可以利用一个事实，即多年生植物往往具有更大的能量饼开始与优势：他们普遍开始对天以上，每年比一年生植物早期成长每年春，光合作用的阳光。

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于常年高粱研究，和比尔及梅林达·盖茨基金会是资金一项研究常年小麦，高粱和木豆在五个非洲国家的风险和收益。

尽管如此，进步是由于不均匀在遗传差异，养殖技术，种植条件和各种杂粮的研究兴趣。常年小麦 - 在土地研究所主要作物 - 仍然从年度小麦产量奇偶数十年来，根据船员。常年玉米研究甚至远远落后。

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。

它是在2001年，由于转移的研究重点回落，但到那时，大运道，在农业科学云南省林科院的遗传学家所取得的有前途的交叉，最终将导致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

道的下一步和他的同事们,包括胡,是改善十字架,选择最好的。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。

胡锦涛说，PR23和其他几个品种，现在足以释放到云南农民不错，虽然他还没有公布其在同行评审期刊性能的任何文件。

常年水稻绝不愿意承受土壤贫瘠，缺乏水和高地极端温度的严峻考验，但是。一个挑战将是引进的基因，指导植物进入休眠状态，并在旱季节水期间关停烟叶生产;另一个是适应植物在酸性土壤中常见的高地地区。

“As we go to more and more extreme environments, we’ll have to develop better and better materials with more traits to get them adapted,” said Len Wade, a perennial grain expert at Australia’s Charles Sturt University who is advising Hu’s team and coordinating the trials in Laos. “So there’s no one answer here. It takes a series of answers or a series of targets.”

然而，这些进一步的改进是关键，因为非常的地方，大多数迫切需要常规稻的替代也往往最恶劣的生长条件。在老挝北部山区，例如，农民通常烧掉森林在三月或四月和散射水稻种子在灰烬的补丁。

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。水稻,在地上呆了年结束可以保护土壤和干草,提供饲料和燃料在旱季,成为一个关键的元素在丘陵地区一个可持续的农业系统。

这一设想 - 常年水稻不够强硬一些世界上最困难的生长条件的蓬勃发展 - 仍然是一个遥远的一个。但未来几年内，中国的农民能够有机会获得PR23，不同于其他任何在水稻种植的悠久历史的品种。对于常年谷物研究界，单独将是一个显著的里程碑。