糧食安全，國(guó)之大者

本刊綜合

策劃人語：

農(nóng)穩(wěn)社稷，糧安天下。中華民族歷來高度重視糧食安全。古往今來，糧食安全都是治國(guó)安邦的首要之任。

2021年全國(guó)糧食總產(chǎn)量13 657億斤，全年糧食產(chǎn)量連續(xù)7年保持在1.3萬億斤以上，人均糧食占有量穩(wěn)定在940斤以上，為確保國(guó)家糧食安全、應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)、克服各種風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)提供了有力支撐。

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織《2021年世界糧食安全和營(yíng)養(yǎng)狀況》數(shù)據(jù)顯示：截止到2020年，全世界有7.2億～8.11億人口面臨饑餓，較2019年增加了1.61億。全球超23億人無法保證全年獲取充足食物，中度或嚴(yán)重糧食不安全發(fā)生率相當(dāng)于過去五年增幅的總和。

如何解決人類對(duì)能源和資源的巨大需求和可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾將成為21世紀(jì)全球面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一?！安丶Z于地、藏糧于技”是確保糧食安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，耕地保護(hù)更離不開硬核科技的支撐。

那么，問題來了：我國(guó)傳統(tǒng)糧食作物是什么，目前有哪些科技種植手段？未來，餐桌上還會(huì)出現(xiàn)哪些可替代的食物？食物種子可還安全？……本期我們將帶你一起去探尋。

——方郁芝 ?秦銀銀

餐桌上的主糧

主糧之首——水稻

水稻位列我國(guó)三大主糧之首，是重要的糧食作物之一。

自20世紀(jì)50年代以來，考古學(xué)家在我國(guó)長(zhǎng)江流域出土的部分新石器時(shí)代遺址中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了水稻遺存，其中河姆渡遺址出土的距今約7000年的水稻更是吸引了全世界的目光。

水稻從植物學(xué)角度可分為兩個(gè)亞種，即粳稻和秈稻。水稻所結(jié)子實(shí)即稻谷，碾去米糠層即可得到大米。稻谷除可食用外，還可以作為釀酒、制糖的原料，稻殼和稻稈則可作為牲畜的飼料。

我國(guó)是世界上第一個(gè)成功研發(fā)和推廣雜交水稻的國(guó)家。目前，我國(guó)雜交水稻的種植面積約2.55億畝，占全國(guó)水稻種植總面積的一半以上。袁隆平是我國(guó)雜交水稻事業(yè)的開創(chuàng)者和領(lǐng)導(dǎo)者，為我國(guó)糧食安全、農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展、世界糧食供給做出了杰出貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“雜交水稻之父”。雜交水稻技術(shù)也被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織列為解決發(fā)展中國(guó)家糧食短缺問題的首選技術(shù)，是中國(guó)科技領(lǐng)域自主創(chuàng)新的標(biāo)志性成就。

確保糧食安全還需堅(jiān)守耕地紅線，聚焦以科技提升耕地畝產(chǎn)量上。我國(guó)現(xiàn)有的15億畝鹽堿地是未來極為重要的后備耕地資源，目前全國(guó)已簽約600萬畝鹽堿地改造項(xiàng)目，正式啟動(dòng)了海水稻的產(chǎn)業(yè)化推廣和商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，擬用8～10年時(shí)間實(shí)現(xiàn)億畝荒灘變良田的目標(biāo)。

此外，我國(guó)科學(xué)家已成功破譯控制水稻種子活力的“遺傳密碼”，這項(xiàng)研究揭示了活性氧清除途徑改善水稻種子活力的新機(jī)制，為進(jìn)一步改良作物相關(guān)農(nóng)藝性狀提供了有用的靶標(biāo)。同時(shí)，我國(guó)已成功實(shí)現(xiàn)在植物工廠環(huán)境下水稻種植60天左右收獲的重要突破，將傳統(tǒng)種植環(huán)境下120天以上的水稻生長(zhǎng)周期縮短了一半，為加速作物育種提供了新的技術(shù)途徑。

現(xiàn)代化水稻種植技術(shù)也是保證水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵所在，我國(guó)領(lǐng)先的水稻種植技術(shù)體現(xiàn)在水稻機(jī)械直播和機(jī)械化育插秧技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新上。水稻直播技術(shù)中，機(jī)械噴播、機(jī)械精量濕潤(rùn)直播、機(jī)械旱直播和無人機(jī)直播等不同類型的直播技術(shù)，突破了地形地貌限制。在機(jī)插秧技術(shù)中，疊盤育秧和精準(zhǔn)稀播技術(shù)降低了雜交稻機(jī)插育秧的用種量，滿足了雜交稻機(jī)插秧稀播少本稀植的需求。在水稻側(cè)深施肥技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)了肥料定位深施，提高了肥料利用率。“插噴同步”封閉除草技術(shù)解決了規(guī)?；痉N植帶來的除草難題等。

分布最廣——小麥

我國(guó)栽種小麥的歷史可追溯到4000年前，位于新疆孔雀河流域發(fā)現(xiàn)的公元前3千紀(jì)的無殼六倍體的普通小麥遺存是目前東亞地區(qū)早期小麥標(biāo)本遺存。漢代以后，小麥由北向南普及種植，中原大地也隨之開啟了“農(nóng)耕文明”。

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏植甲顝V的糧食作物，是小麥屬植物的統(tǒng)稱。小麥的穎果是人類的主食之一，將小麥研磨成面粉后可制作面包、饅頭、餅干、面條等食物，發(fā)酵后可制成酒類或生物質(zhì)燃料。

我國(guó)是世界上最大的小麥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院公布的一組數(shù)據(jù)顯示：我國(guó)小麥2020年播種面積較2011年減少2700萬畝，但產(chǎn)量卻增加了1300萬噸，這“一減一增”的背后正是科技力量的充分體現(xiàn)。

近年來，我國(guó)主要農(nóng)作物基因組學(xué)研究在深度解析基因組結(jié)構(gòu)變異、基因組演變規(guī)律及關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因克隆等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得了一系列前瞻性、引領(lǐng)性、原創(chuàng)性重大突破。在小麥領(lǐng)域，完成了小麥染色體級(jí)別的D基因組精細(xì)圖譜的繪制，克隆出小麥太谷核不育基因和抗赤霉病基因，大幅度提高了小麥育種效率。

基因組編輯技術(shù)是創(chuàng)制突破性種質(zhì)資源、加速育種進(jìn)程的有效手段。我國(guó)小麥分子育種團(tuán)隊(duì)通過載體元件的優(yōu)化改造，研發(fā)了高效的小麥多基因多靶點(diǎn)編輯技術(shù)體系，標(biāo)志著我國(guó)小麥基因編輯效率達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

近期，我國(guó)小麥多基因編輯技術(shù)育種研究再次取得突破，實(shí)現(xiàn)了冬小麥一代多個(gè)優(yōu)異等位基因聚合，并成功獲得無需引入外源基因的小麥新種質(zhì)。這一高效、通用的多基因編輯體系的建立，將有助于促進(jìn)小麥分子生物學(xué)研究和復(fù)雜性狀形成的解析，定向創(chuàng)制小麥新種質(zhì)，實(shí)現(xiàn)加速育種進(jìn)程，為小麥和其他多倍體農(nóng)作物開展多基因聚合育種提供了重要的技術(shù)支撐。

高產(chǎn)作物——玉米

玉米是我國(guó)生產(chǎn)面積最大的糧食作物，約占糧食種植總面積的35%，其產(chǎn)量接近全年糧食總產(chǎn)量的40%，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有舉足輕重的作用。

玉米起源于美洲，是全世界總產(chǎn)量最高的糧食作物之一。玉米與水稻、小麥等糧食作物相比，具有很強(qiáng)的耐旱性、耐寒性、耐貧瘠性，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。玉米中的維生素含量是稻米、小麥的5～10倍，富含的核黃素能保護(hù)眼睛，硒元素能抗氧化，膳食纖維能促進(jìn)人體的新陳代謝，等等。

2021年，我國(guó)糧食進(jìn)口量達(dá)16 454萬噸，其中玉米進(jìn)口量達(dá)到2835萬噸，同比增長(zhǎng)152.2%。玉米有著較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也是畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等的重要飼料來源。2020年下半年以來，在市場(chǎng)和政策的推動(dòng)之下，我國(guó)生豬養(yǎng)殖持續(xù)恢復(fù)，玉米飼料需求進(jìn)一步增加。31E668FF-DCFD-4C32-A744-ACCEFD91CC8F

受品種、耕地、氣候、栽培技術(shù)、生產(chǎn)方式等綜合因素影響，我國(guó)玉米單產(chǎn)量較低。近年來，我國(guó)新培育了一批豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、宜機(jī)收籽粒的玉米品種，在鮮食玉米和青貯玉米品種選育上成效顯著，進(jìn)一步呈現(xiàn)出專用化和多樣化的良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。

在前沿基礎(chǔ)研究方面，我國(guó)科學(xué)家先后克隆解析了玉米產(chǎn)量、株型、抗病、耐旱等多個(gè)重要性狀的關(guān)鍵基因，取得了一系列創(chuàng)新成果，發(fā)表的高水平研究論文處于全球第一方陣。在現(xiàn)代育種技術(shù)研發(fā)方面，在單倍體育種、轉(zhuǎn)基因、基因編輯、全基因組選擇等領(lǐng)域某些關(guān)鍵技術(shù)有所突破，我國(guó)玉米育種的技術(shù)得到提升。

近日，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在玉米中發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)核糖體核糖核酸加工的關(guān)鍵因子，如果玉米中缺乏這個(gè)因子，核糖體核糖核酸加工異常，核糖體的數(shù)目也大幅減少，種子的生長(zhǎng)發(fā)育就會(huì)受到限制，蛋白質(zhì)的含量也因合成過程不完整而降低。

烤玉米、玉米烙、玉米沙拉……這也許是你眼中玉米應(yīng)有的樣子。但作為一顆有“雄心”的玉米，它還在創(chuàng)造更多可能。用玉米中的淀粉提取的聚乳酸被稱為“玉米塑料”，可替代傳統(tǒng)石油基塑料和化纖等白色垃圾，對(duì)抗擊“白色污染”具有重要意義。

糧食“新貴”——馬鈴薯

我國(guó)馬鈴薯種植面積與產(chǎn)量均居世界首位，隨著我國(guó)“積極推進(jìn)馬鈴薯主食開發(fā)”這一戰(zhàn)略的推出，馬鈴薯成為我國(guó)繼水稻、小麥、玉米后的第四大主糧。

馬鈴薯有著“營(yíng)養(yǎng)之王”的美譽(yù)，其膳食纖維含量是大米、小米和小麥粉的2～12倍，但熱量不及它們的70%，是名副其實(shí)的高纖維、低脂肪食物。此外，馬鈴薯中的鉀含量是香蕉的4倍，是精細(xì)大米的10～20倍，維生素B₁含量是面條的5倍、米飯的10倍，維生素C的含量是蘋果的6倍。

我國(guó)現(xiàn)已開發(fā)300多種馬鈴薯主食產(chǎn)品，研發(fā)出新型多菌種復(fù)合發(fā)酵劑，有效改善了馬鈴薯主食產(chǎn)品的口感和風(fēng)味。新研發(fā)的馬鈴薯主食產(chǎn)品不僅在品種上不斷創(chuàng)新，加工工藝也不斷改進(jìn)。

馬鈴薯主要由水和淀粉組成，其特有的氣味主要是由醛、醇等小分子有機(jī)物形成。我國(guó)一研究團(tuán)隊(duì)利用生物反應(yīng)器將醛、醇等有機(jī)小分子加以利用，形成了獨(dú)特的氣味，這為研制馬鈴薯水、馬鈴薯果汁飲料奠定了基礎(chǔ)。

未來的飲食趨勢(shì)

聯(lián)合國(guó)最新報(bào)告稱，世界總?cè)丝诨驅(qū)⒂诒臼兰o(jì)末迎來百億峰值。日益增長(zhǎng)的地球人口與資源稀缺之間的矛盾將愈發(fā)激烈，人類開發(fā)可供選擇的蛋白質(zhì)以及豐富多樣的食物品種迫在眉睫。

聰明的人類都想到了哪些方式來應(yīng)對(duì)糧食危機(jī)呢？

生產(chǎn)人造肉

人造肉主要通過兩條技術(shù)路徑來實(shí)現(xiàn)，一是用氨基酸、脂肪、植物（大豆、豌豆）的蛋白質(zhì)等幾種物質(zhì)“拼”出植物肉，二是從動(dòng)物體內(nèi)提取干細(xì)胞，然后在生物反應(yīng)器中培育試管肉，即用動(dòng)物細(xì)胞“種”出培養(yǎng)肉。

培養(yǎng)肉是一項(xiàng)具有顛覆性的未來食品生產(chǎn)技術(shù)，因受制于法律法規(guī)、技術(shù)和成本等問題，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)面向市場(chǎng)。培養(yǎng)肉理論上是對(duì)肉類的完美替代，但植物肉顯然在規(guī)模化生產(chǎn)可行性上更勝一籌。從開發(fā)應(yīng)用來說，植物肉生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)成熟。

目前，國(guó)外已利用真菌培養(yǎng)真菌蛋白開始規(guī)?；a(chǎn)素肉，英國(guó)已成功使用天然真菌生產(chǎn)的“真菌蛋白”來生產(chǎn)各類素食產(chǎn)品。

發(fā)掘可食用昆蟲

當(dāng)“黑螞蟻火鍋”“油炸知了”“炭烤蟬蛹”等出現(xiàn)在你的餐桌上時(shí)，千萬不要驚訝，要知道人類食用昆蟲歷史久遠(yuǎn)，目前，有超過2000種昆蟲被確定為人類可食用昆蟲。

昆蟲的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，是理想的肉、蛋、奶類替代品，其中含有多種易被人體消化吸收的不飽和脂肪酸、微量元素和生物活性物質(zhì)，對(duì)改善人體生理機(jī)能、治療頑固性疾病有很好的效果。

與傳統(tǒng)畜牧業(yè)相比，昆蟲養(yǎng)殖是一種更環(huán)保的蛋白質(zhì)生產(chǎn)方式，其所需的養(yǎng)殖空間較小，產(chǎn)生的溫室氣體排放量較少，飼料轉(zhuǎn)化率較高。在全球人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體中，食品生產(chǎn)行業(yè)的溫室氣體排放量占30%，其中大部分都來自畜牧業(yè)。因此，食用昆蟲有助于實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)的實(shí)質(zhì)性變革。

用二氧化碳合成“淀粉”

淀粉是面粉、大米、玉米等糧食的主要成分，還是重要的工業(yè)原料。目前，淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進(jìn)行合成，但農(nóng)作物的種植通常需要較長(zhǎng)周期，消耗大量的土地、淡水、肥料等資源。

2021年，我國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉分子的全合成，這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，這一成果也使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。

未來該系統(tǒng)過程成本若能降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，或?qū)⒐?jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免使用農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，提高人類糧食安全，促進(jìn)碳中和的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)形成可持續(xù)的生物基社會(huì)。

農(nóng)業(yè)“芯片”——種子

種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，是國(guó)家糧食安全的命脈。人類的農(nóng)耕文明可追溯到距今13 000年前，考古學(xué)家曾在伊拉克的耶莫遺址中發(fā)現(xiàn)了大約公元前6750年的種子遺存。從那時(shí)起，人類就知道種子就是來年收成的重要保障。

以生物資源為基礎(chǔ)的現(xiàn)代生物技術(shù)需要大量的生物資源儲(chǔ)備，許多國(guó)家通過建立種質(zhì)資源庫對(duì)生物資源進(jìn)行有效儲(chǔ)備和管理。

我國(guó)種質(zhì)資源的現(xiàn)狀

國(guó)家作物種質(zhì)庫和青海復(fù)份庫作為我國(guó)保存種質(zhì)資源的長(zhǎng)期庫，主要對(duì)糧、油、果、蔬等340種作物及其野生近緣植物種質(zhì)資源進(jìn)行50年以上的長(zhǎng)期保存。同時(shí)，我國(guó)還配備有10個(gè)中期庫，中期庫中的種子可在零下4 ℃的庫中保存10～20年，分發(fā)供全國(guó)各個(gè)科研機(jī)構(gòu)使用的種質(zhì)資源每年超過8萬份。

收集的種子通常要經(jīng)過3年鑒定，必須符合具有利用價(jià)值或潛在利用價(jià)值以及遺傳多樣性必須與庫存種子有顯著差異這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能入庫。每份種質(zhì)材料在入庫前要經(jīng)過篩選檢測(cè)，初始發(fā)芽率達(dá)到85%才能入庫保存。

我國(guó)在種質(zhì)資源的保護(hù)與創(chuàng)新的“卡脖子”問題主要體現(xiàn)在“親本材料”上，親本材料能產(chǎn)生種子的父本和母本，是最關(guān)鍵的核心材料。如果能從庫存資源中發(fā)掘大量?jī)?yōu)異種質(zhì)并進(jìn)行改良創(chuàng)制，就能將庫存的種質(zhì)資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變成可利用的親本材料優(yōu)勢(shì)，但這個(gè)過程十分漫長(zhǎng)。

中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫是我國(guó)第一個(gè)國(guó)家級(jí)野生生物種質(zhì)資源庫，也是亞洲最大的野生生物種質(zhì)資源收集、保藏機(jī)構(gòu)，現(xiàn)保存野生植物種子10 601種85 046份，占我國(guó)種子植物物種數(shù)的36%。

種質(zhì)資源庫的建設(shè)使中國(guó)的野生生物種質(zhì)資源，特別是中國(guó)特有種、珍稀瀕危物種，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值和科學(xué)研究?jī)r(jià)值的物種安全得到了有力保障，也為我國(guó)在未來參與國(guó)際生物產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

世界大型種子庫

斯瓦爾巴全球種子庫

斯瓦爾巴全球種子庫是世界上最大的農(nóng)作物種子庫，它坐落于北極圈內(nèi)距離極點(diǎn)1300千米的冰山深處，面積約1000平方米，包括一條約100米長(zhǎng)的隧道和3個(gè)帶有氣密鎖的地下儲(chǔ)藏室在內(nèi)的建筑主體都深藏在地下約120米的位置。儲(chǔ)藏室能存儲(chǔ)種子樣品150萬份，每個(gè)樣品保存約500顆種子，共計(jì)可保存15億顆種子，足以應(yīng)對(duì)人類目前所能想象到的所有災(zāi)難，被稱為“植物諾亞方舟”。

英國(guó)基尤千年種子庫

英國(guó)基尤千年種子庫是世界上最大的野生植物種子庫，始建于2000年，它重點(diǎn)關(guān)注瀕危野生植物，并對(duì)這類植物的種子開展科學(xué)研究。

送入基尤千年種子庫的植物種子需先接受干燥處理，使種子的濕度降到5%以下再進(jìn)行清潔處理，并選取每種植物的50顆種子為樣品，用射線檢查其質(zhì)量后放入瓊脂中培養(yǎng)，檢查其發(fā)芽能力后裝入玻璃瓶，在零下20 ℃的溫度下保存。經(jīng)此處理的部分種子保存期可長(zhǎng)達(dá)200年。31E668FF-DCFD-4C32-A744-ACCEFD91CC8F