本文最初发表于 Undark。
九月下旬，一个国际研究团队深入美国新墨西哥州一个偏远的连绵山区，搜寻一种难以寻觅的植物。这群人穿行于崎岖的地形，寻找依附在树上，或匍匐在干涸河岸边的纤细藤蔓的踪迹。
经过七天在荒漠灌木丛中的跋涉，科学家们带回了一份大自然的馈赠：野生的特帕里豆植株。
科学家们想要采集这种原产于美国西南部和墨西哥西北部干旱地区的豆科植物，因为它拥有坚韧的体质：“它们在这种非常炎热、干旱的气候中进化而来，因此它们具有卓越的耐旱、耐热能力，并且对某些极端土壤条件也具有潜在的耐受性，”美国农业部豆类馆长、参与此次新墨西哥州采集行动的Sarah Dohle说。
在气候变暖的地球上，这些特质可能会带来益处，因为科学家们正在研究如何培育能够抵御气候变化严峻条件的豆类、辣椒、土豆以及各种谷物、水果和蔬菜。
此类极端天气的影响已在全球农业领域造成严重破坏。在美国西部，一场严重干旱摧毁了加州的番茄和水稻产量。在危地马拉，干旱和降雨的双重作用严重破坏了玉米和黑豆的收成，这两者都是重要的粮食作物。在撒哈拉以南非洲，灼热的气候自 20 世纪 60 年代初以来，已使小麦和玉米的产量减少了三分之一以上。
气候和农业模型预测，情况将进一步恶化。根据美国宇航局 2021 年的一项研究，作为养活全球数十亿人口的主要作物之一的玉米，到 2030 年产量可能下降 24%。虽然小麦等其他主要粮食作物的产量可能会有所增加，但研究人员表示，为了建立具有韧性和可持续性的粮食系统，多样化农业至关重要。2014 年，在全球 6,000 多种栽培植物和 50,000 多种可食用植物中，仅有九种作物占全球总产量的三分之二。
新墨西哥州立大学植物科学家、教授Richard Pratt表示，像特帕里豆这样未被充分利用但又非常坚韧的作物，有助于实现粮食生产的多样化。它们的基因材料可能有助于其他作物更好地耐旱、耐热。Pratt 与美国农业部和总部位于哥伦比亚的国际热带农业中心（CIAT）的同事一起参加了九月份的考察活动。他们是日益增多的研究人员、育种家和其他科学家中的一员，他们致力于保护被忽视的野生作物——为后代安全保存它们——并培育更具韧性的植物，以应对气候变化的挑战。
例如，加州大学戴维斯分校正牵头一项耗资 1500 万美元、涉及 20 个机构的多州项目，旨在加速小麦的育种周期，并研究帮助小麦在严峻环境中茁壮成长的途径。在阿拉巴马州的奥本大学，科学家们正致力于培育一种更能耐旱的花生品种。在亚洲和非洲的部分地区，一些农民已经种植了由菲律宾国际水稻研究所开发的、耐高压力的“绿色超级稻”。来自不同机构的科学家们还参与了一项由挪威政府资助的广泛项目，以识别、收集和评估野生作物，供未来开发。
尽管如此，仍然存在诸多挑战：作物育种是一个耗时过程，因此研究人员很难跟上快速变化的天气。基因测序和基因编辑技术的进步有助于加速这一过程，但它们也带来了自身的挑战。一些研究人员警告说，例如 CRISPR 基因编辑技术，可能会导致 DNA 发生意外变化，并对作物近缘野生种造成基因污染。与此同时，消费者仍然希望食物美味可口。农民则希望作物易于种植。
随着恶劣天气的加剧，聚焦于适应气候变化的作物的植物育种已变得刻不容缓。“如果全球气候变化继续对我们造成打击，”Pratt 说，“我们必须拥有具有韧性的作物。”
人类在驯化和杂交野生植物以产生具有更好风味和更高产量的新一代植物方面有着悠久的历史。“无论是你在超市里吃到的苹果、梨、葡萄还是香蕉，这些植物在某个时候都曾被人类在世界的某个地方驯化过，”亚利桑那州图森的亚利桑那-索诺拉沙漠博物馆研究员、生态学家Jesús García说。
例如，大约 9000 年前，如今墨西哥地区的早期原住民农民将一种名为 teosinte 的草，转化成了如今遍布全球的单秆、饱满的玉米。
随着遗传学科学的发展，植物科学家能够更好地筛选植物的优良性状，如口味、颜色和大小，并开发出改良的栽培品种。但捕捉这些有限的性状可能会导致遗传多样性的丧失，这可能使植物更容易受到疾病、病虫害和环境变化的影响。例如，爱尔兰马铃薯饥荒部分原因在于农民通过大量繁殖他们的植物，导致每个马铃薯都是其自身的克隆。当 19 世纪 40 年代一种真菌开始感染这种块茎作物时，大部分作物腐烂，约有 100 万人死于饥荒。
为了避免类似的农业灾难，像 Pratt 这样的科学家正转向野生品种，因为它们可能提供了过去几十年被忽视的宝贵遗传特性。“野生特帕里豆种群中可能仍然存在大量的栽培特帕里豆所不具备的遗传多样性，”Pratt 说。例如，通过将野生特帕里豆与黑豆或斑豆进行杂交，科学家们或许能够培育出一种新变种，使其能够更好地适应其近亲在相似严酷环境条件下的生存。
然而，第一步是找到那些能在野外提供更强韧遗传特性的作物。
正如 Pratt 和他的新墨西哥团队搜寻野生特帕里豆一样，其他植物科学家也在努力收集和保存作物近缘野生种，这有助于开发适应气候变化的品种，并确保不断增长的全球人口的粮食安全。
“作物近缘野生种具有对更极端条件的耐受性，”位于南亚利桑那州的边境恢复网络（Borderlands Restoration Network）的本地植物项目经理 Perin McNelis 说。“它们不需要肥沃的土壤和每日浇水，所以它们更坚韧。”
几年前，McNelis 的团队与美国农业部的工作人员一起，前往边境地区广阔的保护区，收集在牧豆树和铁木树的保护性阴影下大量生长的野生奇尔特平辣椒。科学家们从四面八方赶来研究这种被认为是所有辣椒之母的小圆红辣椒。这种辣味辣椒也在德克萨斯州、新墨西哥州和墨西哥的部分地区野生生长。
McNelis 说，收集到的野生奇尔特平辣椒样本已被送往美国农业部实验室，这将有助于未来的研究和保护那些可能用于培育改良作物的遗传物质。
一项更庞大的野生作物品种收集工作，有来自 25 个国家的 100 多名科学家与总部设在德国的国际非营利组织“作物信托”（Crop Trust）合作。这项名为“作物近缘野生种项目”（Crop Wild Relatives Project）的倡议由挪威政府资助，并由皇家植物园（Kew）联合管理。
2018 年，科学家们结束了为期六年的全球范围搜寻野生植物的工作。在次年发布的报告中，该组织表示已获得 371 种栽培作物近缘野生种的 4600 多份种子样本，并将它们分发给全球基因库。基因库负责收集和储存种子，以便科学家和育种家能够利用这些种子进行进一步的研究和开发。其中一些发现的品种在基因库中根本不存在。
在某些情况下，收集者发现一些野生作物近缘种已经从它们的历史栖息地消失了。另一些人则带回了从未采集过的样本，包括一种生长在哥斯达黎加海滩附近、普通豆类的微小野生近缘种。科学家们已经从种子样本中发现了有用的性状，包括各种耐旱、耐热和耐盐的组合，例如在胡萝卜、高粱和苜蓿中。
“作物近缘野生种要么被忽视，要么被遗忘，要么被视为农业的威胁，”作物信托的传播经理 Luis Salazar 说。“但它们非常坚韧，它们能够找到自己的生存之道。”
Salazar 说，这些坚韧的性状“正是我们现在所需，而且未来将越来越需要。”
野生作物近缘种可能很强壮，但它们通常不适合种植，因为它们缺乏农民想要的性状——如良好的味道和快速生长。那么问题就来了，如何培育出既能保留栽培品种的优良性状，又能适应严峻环境的新物种？
培育新植物物种可以采用多种方法，但 Pratt 更倾向于传统的育种方法：在新墨西哥州，他在校园的试验田和其他地点种植了不同品种的藤蔓、豆荚状的特帕里植物，以观察它们在半干旱土壤中的适应能力。他选择具有他所需性状的植物，如抗旱性和高产量，然后这些植物可以用来繁育具有期望性状的后代。
作为其研究的一部分，Pratt 研究了栽培特帕里品种在不同海拔高度和中低度干旱胁迫下生产高产的潜力。他发现，“特帕里豆在产生可比产量时，比普通豆子需要的水要少，”他说。
通过对野生特帕里豆的搜寻，Pratt 和他的同事们希望增加这种坚韧的豆类在世界各地基因库保存的种子、植物和组织培养物中的代表性，并将其分享给农民以养活世界。但是，Pratt 说，关于如何将这种有益的遗传物质最好地整合到容易受高温影响的普通豆类中，或者如何潜在地提高栽培特帕里豆的坚韧性，仍然有很多讨论。
常规育种并非没有局限性。它往往需要很多年才能产生预期的结果，并且在不引入不需要的性状的情况下选择特定的遗传特征可能很困难。
遗传学技术的进步使得植物育种过程得以加速。植物的基因就像蓝图，勾勒出它的外观和性状。得益于日益强大的 DNA 测序技术，植物遗传学家现在可以比以往更快地识别出蓝图中特定的目标基因，DNA 测序技术基本上可以读取植物的遗传物质，从而识别出基因及其控制的性状。
例如，蒙特利尔麦吉尔大学的科学家们已经测序了近 300 种土豆的 DNA，包括野生品种，以创建一个“超级全基因组”——一个物种的全部基因集合。为了实现这一目标，研究人员使用了基因库，例如“作物近缘野生种项目”所充实的那些。美国农业部资深研究遗传学家 Shelley Jansky 表示，DNA 测序就像一张地图，使得选择能让土豆更能抵抗疾病和环境负担的性状变得更加容易。
Jansky 最近已退休，并未参与该项研究，但她专长于马铃薯遗传学。她说：“这个全基因组确实为我们提供了操纵马铃薯基因和创造优于现有马铃薯品种的强大工具。”
通过读取和识别植物细胞中包含的遗传信息，开发新作物新品种所需的时间可以从长达二十年缩短到短短几年。植物育种者仍然可以使用常规方法，例如 Pratt 对其特帕里豆所使用的方法，来培育作物，但通过使用 DNA 测序，他们大大缩短了生长周期。例如，如果一位育种者想确保他种植的苹果树能结出红苹果，他可以通过扫描种子的 DNA 来确定苹果的颜色，而不是等待树木生长成熟后再找出答案。
“作物近缘野生种项目”的一些科学家还利用 DNA 测序技术，从野生作物中分离出特定的性状——例如耐盐性——并将其纳入新的基因系，这个过程被称为“预育种”。截至 2021 年中，其项目合作伙伴已将来自野生品种的遗传物质整合，用于开发 19 种作物的 14,000 多种新系。其中大部分材料存储在全球各地不同的基因库中，许多尚未进行商业化种植，但一些已经与农民分享，以评估它们在当地条件下的表现。
“我们让他们参与评估，以了解他们想要什么，这很重要，”Salazar 说。“农民不只是把近缘野生种当作近缘野生种。他们想要的是一种比现有作物表现更好的植物。”
这些作物不被视为转基因作物，但基因编辑——特别是 CRISPR——也使得引入新的遗传性状到植物中的速度大大加快。CRISPR 基本上允许科学家修改植物的遗传蓝图，来删除、复制或粘贴特定的基因。
“育种技术在不断发展，这就是我们现在看到的在大豆育种中通过 CRISPR 进行基因编辑的首次应用，”Daniel Debouck，一位参与新墨西哥州考察的 CIAT 科学家，在给 Undark 的电子邮件中写道。他认为，未来几年，其他豆类，如特帕里豆，很可能成为该技术的研究重点，这是合乎情理的。
然而，转基因作物仍然带有污名，并且比常规种植的作物受到更严格的监管。但是，在 2019 年至 2020 年期间，美国农业部批准的基因编辑作物数量从 7 种增加到 70 种。与此同时，全球各地对基因编辑作物还没有形成共识。一些国家和地区认为该技术在食品生产中是安全且可接受的，而另一些则更为谨慎。
回到新墨西哥州西南部被称为“天空岛”的山区，那里从布满牧豆树的沙漠上升到横跨四个州和两个国家的橡树林地区，Pratt 和他的同事们仔细地检查了这片土地，寻找特帕里豆的踪迹。
科学家们在特帕里豆最适宜生长的海拔 4,500 至 6,000 英尺之间找到了这种栽培特帕里豆的野生祖先。他们还采集了另外三种未被栽培的近缘种。尽管只收集到相对较少的种子，科学家们还是带回了一些植物、土壤样本和宝贵的实地观察结果。
收集者们认为十月初是特帕里豆种子成熟的最佳时期。但他表示，该地区今年雨季姗姗来迟的微薄降雨延迟了植物的生长。“它们仍然不成熟，去年生长的植物已经完全干燥并脱落了种子，”Pratt 说。
美国农业部的 Dohle 将会把这些种子种植在华盛顿州普尔曼的一个温室里，以增加种子的数量，并免费分发给研究人员和育种家。“这需要几个月的时间，”她说。
这次秋季的考察活动进一步增强了 Pratt 对收集近缘野生种重要性的信念，因为这些作物可能面临因酷热和城市扩张而消失的危险。近几个月来，他曾多次返回野外，抢救那些仍在成熟的植物的种子。
他说，关键的一步是保护植物遗传资源的变异性，以便育种者和其他人能够根据需要获取它们，从而改进作物，以适应一个更干燥、更炎热的星球。
Pratt 说：“可能在未来几十年里，我们只能种植我们能种的，而不是我们想种的。我们必须为此做好准备。”
Lourdes Medrano 是一位常驻南亚利桑那州的记者，也是 Undark 的高级撰稿人。她的报道经常关注与美墨边境两侧相关的议题，包括环境问题。
