超过 8 亿人的饮食并非围绕小麦、玉米或大米展开。相反，在许多国家，主食是一种植物的淀粉根，这种植物有多种名称，如木薯、树薯粉、木薯或尤卡（不要与多汁植物丝兰混淆）。的确，木薯对世界卡路里预算的贡献超过除大米和小麦以外的任何其他食物，这使其成为对抗饥饿的几乎不可替代的资源。在整个热带地区，家庭通常在小块土地上种植木薯供自己食用，尽管在亚洲和拉丁美洲部分地区，这种植物也被商业化种植，用于动物饲料和淀粉基产品。然而，木薯根的营养价值很低：它几乎不含蛋白质、维生素或其他营养素，如铁。因此，更好的木薯品种可以有效地缓解发展中国家普遍存在的营养不良问题。
由于这种前景，我们两人以及我们在巴西利亚大学和其他机构的同事致力于培育更耐寒、更高产和更营养的品种，并使发展中国家的农民能够广泛获得这些品种。我们的团队主要侧重于应用传统育种技术，在木薯及其野生近缘种之间形成杂交种，利用野生植物在数百万年进化过程中形成的性状。这种方法比基因工程成本更低，并且不会引起一些人对转基因作物的安全担忧。与此同时，发达国家的研究人员和非营利组织也开始对此产生兴趣，并出于同样的目的生产了转基因木薯品种。最近完成的木薯基因组序列草图可能为进一步改良开辟道路。
热带地区的最爱
灌木植物Manihot esculenta—木薯的学名—及其Manihot属的野生近缘种起源于巴西。土著人民首先驯化了这种植物，葡萄牙水手在 16 世纪将其带到非洲；从那里，它的用途传播到热带亚洲，远至印度尼西亚。非洲现在生产了世界年产量超过 2 亿吨的一半以上（51%）；亚洲和拉丁美洲分别收获 34% 和 15%。
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木薯根类似于细长的红薯，可以直接食用，生吃或煮熟，也可以加工成颗粒、糊状物或面粉。在非洲和亚洲的一些地区，人们也将叶子作为绿色蔬菜食用，叶子提供蛋白质——干燥的木薯叶高达 32% 的蛋白质——以及维生素 A 和 B。
木薯在资本和劳动力方面的投资较低。它能很好地耐受干旱和酸性或贫瘠的土壤；能迅速从病虫害造成的损害中恢复；并且能有效地将太阳能转化为碳水化合物。事实上，谷类作物的可食用部分充其量只占植物总干重的 35%，而木薯的可食用部分约为 80%。此外，木薯可以在一年中的任何时间种植，收获可以延迟数月甚至一年。因此，农民经常在田地里保留一些植物，作为应对意外食物短缺的一种保险。难怪这种作物已成为几乎每个可以种植它的地区的自给农民的最爱，并且已成为当地传统和美食不可或缺的一部分。
然而，这种作物也有缺点。它的保质期很短，如果未经加工，通常会在一天内变质。此外，特定区域内的木薯植物往往在基因上是统一的，这使得作物容易受到损害：一种损害一种植物的疾病或害虫很可能会使所有植物都生病。但最重要的是，除了碳水化合物外，缺乏其他营养素使木薯成为一种过度依赖的风险食物。
杂交技术
我们中的一位（纳赛尔）最初是在他的家乡埃及作为一名年轻的农艺师时开始对改良木薯感兴趣的。在 1970 年代初期——撒哈拉以南非洲地区普遍发生饥荒的时期——他访问了巴西，研究这种植物的原始环境。然后他决定搬迁，最终成为巴西公民。1975 年，在巴西利亚大学，他获得了加拿大国际开发研究中心的一小笔资助，开始收集活体Manihot野生种质资源，这些资源可以作为有用性状的基因库，添加到木薯中。他走遍全国，经常步行或骑自行车，收集标本并将它们带回巴西利亚，他和他的合作者最终在那里种植了 35 个不同的物种。
事实证明，这种生物多样性资源对于大学和其他地方开发新品种至关重要。该团队取得的首批成果之一是 1982 年培育出蛋白质含量更高的杂交品种。木薯根的蛋白质含量通常仅为 1.5%，而小麦的蛋白质含量为 7% 或更高。特别是，木薯根缺乏含硫必需氨基酸，如蛋氨酸、赖氨酸和半胱氨酸。新的杂交品种的蛋白质含量高达 5%。巴西政府目前正在寻求方法，通过在小麦中添加木薯粉来减少该国对外国小麦的依赖；使用蛋白质含量更高的木薯将有助于保持数百万巴西人的日常蛋白质摄入量。
木薯与野生近缘种之间的杂交以及不同木薯品系之间的选择性育种也可能有助于培育出含有其他重要营养素的品种。巴西利亚团队已经表明，某些野生Manihot物种富含必需氨基酸、铁、锌和类胡萝卜素，如叶黄素、β-胡萝卜素和番茄红素。特别是 β-胡萝卜素是维生素 A 的重要来源，缺乏维生素 A 会导致进行性眼损伤——这是非洲、亚洲和拉丁美洲热带地区一个严重而普遍的问题。鉴于木薯在热带地区作为主食的地位，高胡萝卜素品种可能为解决发展中国家维生素 A 缺乏症做出重大贡献。在过去三年中，该团队培育出了高产木薯品种，其 β-胡萝卜素含量是普通木薯的 50 倍，目前正在与当地农民一起测试这些品种。
另一个主要项目侧重于改变植物的生殖周期。木薯通过授粉进行的普通繁殖方式产生的幼苗类型与母株不完全相同，并且产量通常较低。因此，农民通常种植现有植物的插条，而不是播种种子。然而，插条使病毒和细菌能够污染植物。一代又一代，微生物积累，最终可能会损害植物的产量。与许多其他开花植物一样，某些野生Manihot物种，包括木薯的树状近缘种M. glaziovii，既进行有性繁殖又进行无性繁殖，并且无性繁殖产生的种子发芽成基本上是母株克隆体的植物。通过十多年专注于种间育种的努力，巴西利亚研究人员最近获得了一种木薯品种，该品种可以像其野生近缘种一样，通过产生两种类型的种子来进行有性繁殖和无性繁殖。一旦进一步的工作完成，这个品种就可以分发给农民。
M. glaziovii还拥有其他有用的基因，可能有助于养活居住在干旱土地上的数百万人。M. glaziovii和木薯的杂交种通常表现出两种类型的根。有些像木薯中的根一样，会因淀粉而膨胀并且可以食用。第二种类型的根深入地下，可以利用更深层的水源。这些特性使杂交种成为半干旱地区（如巴西东北部或撒哈拉以南非洲的一些热带稀树草原地区）使用的最佳木薯品种之一。在巴西最干旱地区之一的彼得罗利纳，农民测试时，一些杂交种表现出耐旱性。该团队目前正在改进这些杂交种，通过将它们与高产木薯品种回交，然后选择可以更广泛分发的高产后代，从而将高产和耐旱性结合起来。
另一种操作方法——历史悠久的嫁接技术——提供了另一种提高木薯块根产量的方法，正如印度尼西亚农民在 1950 年代首次发现的那样。将M. glaziovii或M. pseudoglaziovii等物种（或两者的杂交种）的茎秆嫁接到木薯砧木上，已使试验田的根部产量提高了七倍之多。不幸的是，在许多国家，嫁接实践受到这些杂交种供应不足的阻碍。
病虫害保险
除了增强营养和产量外，选择性育种和与野生种的杂交对于抵抗病虫害的蔓延也至关重要。提高对木薯花叶病毒的抗性是木薯科学最重要的成就之一。在 1920 年代，花叶病毒在东非坦噶尼喀地区（现在的坦桑尼亚）的蔓延引发了饥荒。两位在坦桑尼亚工作的英国科学家将木薯与M. glaziovii杂交，经过大约七年的努力，挽救了这种作物。在 1970 年代，花叶病卷土重来，威胁到尼日利亚和扎伊尔（现在的刚果民主共和国）的地区。尼日利亚国际热带农业研究所 (IITA) 的研究人员使用了M. glaziovii及其杂交种（源自巴西利亚大学的种质资源），再次培育出抗花叶病的木薯。这种新培育的品种催生了一个抗花叶病毒品种家族，目前在撒哈拉以南非洲的 400 多万公顷土地上种植；在随后的几十年里，尼日利亚已成为世界最大的木薯生产国。尽管如此，病毒经常发生基因突变，并且有一天新的花叶病株系可能会突破培育到木薯品种中的抗性。因此，抢先育种对于始终领先于疾病是必要的。
木薯粉蚧（Phenacoccus manihoti）是困扰撒哈拉以南非洲地区这种作物最毒的害虫之一。这种昆虫通过吸食植物的汁液来杀死植物，在 1970 年代和 1980 年代初期尤其具有破坏性；它摧毁了种植园和苗圃，以至于生产实际上陷入停顿。在 1970 年代末，国际热带农业研究所和非洲其他地方以及南美的研究合作伙伴从南美洲引入了一种捕食性黄蜂，这种黄蜂在粉蚧中产卵，以便黄蜂幼虫最终从内部吞噬粉蚧。由于这项努力，在 1980 年代的大部分时间和 1990 年代，木薯粉蚧在非洲大部分木薯产区都得到了控制。在扎伊尔的少数小区域，该系统运作不佳，原因是寄生黄蜂自身的天敌数量增加。在上个十年的中期，巴西利亚团队在野生Manihot物种中寻找解决此问题的可靠方案，并在M. glaziovii中再次发现了抗粉蚧性状。抗粉蚧品种现在由巴西利亚周边地区的小农种植，如果粉蚧瘟疫卷土重来，可以出口到其他国家。
展望未来，我们预计新的有价值的性状可能来自培育嵌合体。嵌合体是具有两种或多种在其中生长的基因不同组织的生物体。嵌合体主要有两种类型。在扇形嵌合体中，在植物器官中可以看到两种不同的纵向组织扇形区，但它们的生长不稳定，因为其中一种组织比另一种组织生长得更快，并可能很快占据整个芽。在第二种类型的嵌合体中，称为周缘嵌合体，芽的外部部分包围内部部分，并且可能比扇形嵌合体更稳定。巴西利亚正在进行试验，以开发一种嫁接方法，该方法将使用M. glaziovii的组织生产稳定的周缘嵌合体。这种方法可能导致每次种植嵌合体茎秆时，根部都会持续增大。到目前为止，嵌合体已显示出令人鼓舞的生产力，并且似乎特别适合半干旱地区。
木薯应该是农业科学的高度优先事项，但传统上并非如此。只有少数研究实验室研究过这种植物，这可能是因为它种植在热带地区，远离发达世界大多数科学家工作的地方。这种研究投资的匮乏意味着南美洲和中美洲以及非洲的平均年产量不超过每公顷 14 吨，即使田间研究表明，通过一些改进，木薯的产量可以增加四倍，并养活更多的人——无论是在已经种植的地区还是在其他地方。
然而，发达世界开始出现一些兴趣。圣路易斯的唐纳德·丹佛斯植物科学中心的研究人员正在领导一个项目，将来自其他植物物种或细菌的基因插入木薯，以提高其营养价值并延长其保质期。
木薯基因组的测序（目前已发布第一个草图）可能会促进转基因木薯的开发。它还将通过标记辅助育种技术帮助常规育种计划，该技术依赖于从基因分析中收集的信息来指导所需性状的育种。建立一个全球网络来协调所有从事木薯研究的机构的努力，将确保这种作物的潜力不会被浪费。