木薯是一种淀粉状块根,最初于约 10,000 年前在南美洲被驯化。木薯也被称为木薯粉和丝兰,对北美人来说可能更熟悉,即木薯淀粉——用于增稠馅饼和果酱的小珍珠状淀粉。然而,对于热带地区的数百万人来说,它是一种主食,而不是烘焙辅助品。现在,通过有计划的杂交育种和基因组选择,已经创造出新型木薯,可以显着提高产量、预防营养不良并在各种条件下生长。
典型的木薯灌木产生貌不惊人的棕色根茎,内部呈雪白色或奶油色。木薯作物是多年生的——成熟至少八个月后,根茎可以收获几年。新植物很容易从插条中生长出来。根茎富含碳水化合物,蛋白质含量低,必须煮沸、烘烤、发酵或以其他方式加工,以驯服在消化过程中会产生有毒氰化氢的化合物。尽管如此,估计全世界有 8 亿人食用木薯。在非洲,有 5 亿人依靠木薯作为主要主食。
由于许多木薯消费者生活在发展中国家,这种植物没有像西方世界更熟悉的玉米、小麦和水稻等作物那样受到 интенсивного 育种。然而,在过去十年中,木薯开始受到关注。中国和泰国用它来制造高质量的淀粉,一些国家将这种作物视为一种潜在的生物燃料。更重要的是,木薯很可能在世界气候变化中表现良好;当其他作物歉收时,它能在干旱中生存,并在温暖的气温中茁壮成长。
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产量大幅提高
最新和最令人印象深刻的育种成功之一来自纳吉布·纳赛尔,一位木薯育种家,也是巴西利亚大学遗传学荣誉退休教授。他开发了一种可以显着提高产量的新品种。他的每株植物一年后可产出约 14 公斤可食用根茎,而传统品种仅产出 2 至 3 公斤。
除了巨大的根茎外,新的木薯植物在显微镜下检查之前看起来并没有太奇怪。纳赛尔通过将普通栽培品种与野生品种仔细嫁接,并用合成植物生长激素处理结果,创造出了嵌合体——两种个体的融合体。新植物组织的外层或表皮层来自栽培品种,而内层组织则来自野生亲本。
受到嵌合体旺盛生长的鼓舞,纳赛尔希望研究更多杂交的可能性。他和他的研究生内拉·邦芬在 1 月份的在线期刊《基因保护》上发表了一篇关于第二种嵌合体的论文 (pdf)。哥伦比亚国际热带农业中心的木薯育种家埃尔南·塞巴洛斯说:“他是一位不知疲倦的科学家。”未参与这项工作的塞巴洛斯补充说,嵌合体很有趣,但还需要进一步工作来证明这些植物的生产力。
纳赛尔的嵌合体并不是唯一的新型木薯品种。塞巴洛斯本人一直在研究一种将高于未来农民头顶的品种。“芦笋木薯”没有分支——它的叶子直接从巨大的茎秆上长出来。这种品种可以比传统木薯种植得更密集,并产生更高的产量。其他品种包括富含维生素 A 的木薯(使根茎变成橙色)和蛋白质含量更高的木薯。
迈向下个世代
这些有希望的品种可能只是木薯革命的开始。“人们越来越认识到粮食安全在最缺乏粮食安全地区的重要性,”比尔及梅琳达·盖茨基金会的高级项目官员吉姆·洛伦岑说,该基金会是木薯研究的主要支持者。该基金会资助研究人员对木薯基因组进行测序,并与英国国际发展部一起,在 2012 年底向一项名为下一代木薯育种 (NEXTGEN) 项目的大型国际项目资助了 2500 万美元,该项目旨在启动木薯的遗传改良。* “现在是木薯研究的黄金时期,”洛伦岑说。他指出,这种态度反映在更多研究人员专注于木薯以及非洲领导人的浓厚兴趣上,包括尼日利亚农业和农村发展部长阿金武米·阿德西纳。
该项目联合了尼日利亚、乌干达和美国的育种项目的研究人员。参与的科学家目前正在专注于培育更好的木薯植物所需的关键性状。乌干达国家作物资源研究所的木薯育种家罗伯特·卡武基正在努力识别与褐条病抗性相关的分子标记,褐条病是非洲木薯的最大威胁之一。
卡武基寻找负责抗病基因的第一步是观察许多植物在田地中的生长情况,以寻找目标性状。对于褐条病,这需要付出大量努力:“你必须从地下拔出植物,并单独对每个根茎进行评分,”他说。这可能需要挖掘超过 1,600 株植物才能获得单个性状。最有希望的植物会被进行基因分型,它们的数据会被输入到计算机模型中。该模型将识别分子标记,并决定应将哪些植物进行杂交,以产生下一代最佳遗传物质。洛伦岑解释说,整个方法(称为基因组选择)已在奶牛育种行业中得到有效应用。
准确预测杂交的能力有望节省大量时间。通常,育种家必须等到他们的杂交品种长大才能看到它们的结果。新变种在发布前会在多个地点经过几个生长季的测试。在计算机模型的帮助下,NEXTGEN 的方法可以将时间线压缩到三到五年,通过后代将如何表现,尼日利亚国家块根作物研究所的助理主任兼木薯育种负责人奇多齐耶·埃格西说。该项目还在针对木薯的其他瘟疫:破坏叶子的绿螨、使茎变褐并使植物落叶的木薯细菌性疫病以及使叶子变黄并阻碍植物生长的木薯花叶病毒。
上周末,埃格西加入了一个小组,会面并讨论 NEXTGEN 项目的进展。“第一年非常成功,”洛伦岑说。“但这需要时间才能看到它在实践中如何运作。”
数百万小农户及其家庭将从木薯研究人员的努力中受益。到今年年底,预计巴西将有超过 9,000 名农民种植纳赛尔的嵌合体。预计未来会听到更多关于这种淀粉根茎的消息,因为新品种将帮助养活热带世界。
*编者注(2014 年 3 月 26 日):此句在发布后经过编辑。原文遗漏了英国国际发展部在资助 NEXTGEN 项目中的作用.
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培育木薯以养活穷人,作者:纳吉布·纳赛尔和罗多米罗·奥尔蒂斯,《大众科学》,2010 年 5 月