现代超市的农产品区充满了视觉上的错觉。草莓看起来饱满而晶莹剔透；番茄表皮光滑而富有光泽；甜瓜结实且色彩鲜艳——但往往都缺乏风味。这些平淡无奇的美丽果蔬，我们只能怪自己。为了选择性地培育产量尽可能高，且能在黑暗、凉爽的环境中经受数周运输和储存的作物，我们从食物中剥夺了风味、香气和营养。
想想哈密瓜给植物育种者带来的困境。为了享受哈密瓜的全部风味，你必须在它达到最佳成熟度、变软之前采摘并食用。在哈密瓜发育的后期，激素乙烯的爆发会导致果实迅速成熟和变软。这种快速的成熟使得哈密瓜跨州甚至跨国运输成为难题：即使在冰上，甜瓜在到达目的地时也会变成糊状。因此，植物育种者通过杂交授粉，只选择那些天然产生最低水平激素的甜瓜，来降低用于长途运输的哈密瓜中乙烯的水平。如果没有强烈的乙烯爆发，甜瓜在从田地到农产品区的运输过程中会保持坚硬，但产生成熟甜瓜香气和味道的化学反应永远不会发生。
育种者在克服这种困境方面取得了一些成功。在20世纪90年代，荷兰德鲁伊特种子集团的植物育种者多米尼克·尚贝隆成功培育出一种条纹小哈密瓜，这种哈密瓜在收获后数周内既能保持硬度又能保持风味。这种名为梅洛朗日的品种在中美洲种植，并在12月至4月期间（当地太冷无法种植哈密瓜时）运往美国的山姆会员店和其他精选连锁店。今年三月，我品尝了一片这种哈密瓜：它的质地紧实，风味和香气浓郁，甚至带有一丝辛辣。不幸的是，像梅洛朗日这样的传统育种方式很大程度上依赖于偶然性。完美培育出一个始终令人印象深刻的新品种可能需要十年以上的时间。育种者必须一遍又一遍地进行异花授粉，希望一些后代能够继承正确的特征。而且他们通常必须等待植物生长并结出成熟的果实才能知道结果。他们收获的大部分成果都远未达到目标，完全无法使用。
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遗传学最近提供了一条替代途径。在2008年收购了德鲁伊特的孟山都公司，杰夫·米尔斯和他的同事们能够在哈密瓜植物的种子还未播种到地里之前，就预测出其最终果实的品质。首先，米尔斯和他的团队确定了梅洛朗日独特风味和硬度组合背后的甜瓜基因。他们可以在一组合作且基本上自主的机器人的帮助下，在哈密瓜种子中寻找这些遗传“标记”。
去年11月，当我参观孟山都在加利福尼亚州伍德兰的蔬菜研究和开发总部时，我亲眼目睹了许多这些机器的运作。一台种子切片机削下一小片种子用于DNA分析，留下其余完整的内核，适合在温室或田地中播种。另一台机器人从那小块种子中提取DNA，并添加必要的分子和酶，将荧光标签化学粘附到相关的基因上（如果它们存在的话）。还有一台机器扩增这些发光标签的数量，以测量它们发出的光，并确定基因是否存在。
这种被称为标记辅助育种的技术并非全新，但由于基因测序变得如此快速和廉价，它在过去10年中实现了前所未有的农产品完美主义壮举。孟山都的种子切片机可以每天24小时运行，整个系统可以在两周内向育种者提供结果。在过去的10年中，私营公司和大学的育种者都成功培育出了大量更美味、更colorful、形状更好、营养更丰富的蔬菜和水果，其中一些已经在杂货店和农贸市场有售。除了越来越诱人的甜瓜外，这些丰收的成果还包括营养比以往更丰富的西兰花、真正多汁的草莓，以及既赏心悦目又美味可口的番茄。
“基因组学对植物育种的影响几乎超出了我的理解，”谢莉·詹斯基说道，她是一位为美国农业部和威斯康星大学麦迪逊分校工作的马铃薯育种者。“五年前，我这里有一个研究生花了三年时间试图鉴定与抗病性相关的DNA序列。在实验室里工作了数百小时后，他最终得到了18个遗传标记。现在我的研究生可以在几周内获得每株200株植物的8000个标记。”
所有关于DNA分析的讨论听起来都非常像基因工程——创造转基因生物（GMOs）的基因编辑技术。但事实并非如此。这是一项完全非转基因的技术。事实上，这也是它如此吸引研究人员和孟山都等种子公司的主要原因之一。
播种变革
至少在9000年前，人们就开始改变植物以适应自己的用途。我们吃的几乎每一种水果和蔬菜都是驯化物种，我们通过数十年的定向选择和育种对其进行了改造：只保留具有最理想特性的植物的种子，并有意地将一种植物与另一种植物杂交，以创造新的性状组合。通过这种方式，我们的祖先将一种名为类蜀黍的瘦弱草变成高大、穗轴饱满的玉米，并将一种野生甘蓝塑造成西兰花、抱子甘蓝、花椰菜和羽衣甘蓝。
到20世纪80年代，科学家们设计出了一种更精确的改变植物DNA的方法：基因工程，它涉及到使用实验室工具添加、移除或以其他方式直接改变植物中的基因。转基因生物于20世纪90年代首次在美国市场上出现。尽管美国超过70%的加工食品都含有由转基因玉米、大豆和卡诺拉油菜制成的成分，但在超市销售的鲜蔬菜和水果中，转基因的却很少。例外情况包括抗病毒木瓜、李子和南瓜，以及抗虫甜玉米。
鲜水果和蔬菜转基因品种如此之少的一个原因是，总的来说，它们远不如美国最大的作物（玉米、大豆、干草、小麦、棉花、高粱和水稻）利润丰厚和种植广泛。对于水果、蔬菜和其他所谓的特种作物，种子公司没有那么大的动力去处理批准转基因生物上市销售所需的繁琐且昂贵的安全测试和联邦监管程序。
转基因水果和蔬菜的另一个重大障碍是公众的反对。大学和种子公司知道，今天在农产品区引入新的转基因生物可能会在美国人口中对他们认为是“弗兰肯食品”的那部分人中引发强烈抗议。大多数购物者仍然没有注意到商店里已经存在的少量转基因水果和蔬菜，因为它们通常没有被标记为转基因食品。
在过去的十年中，标记辅助育种已成为一种越来越可行的改善水果和蔬菜的方法，同时规避了这种争议，尤其是在基因技术不断进步，科学家不断对越来越多的农作物植物的基因组进行测序的情况下。特别是，传统育种和DNA分析的结合正在帮助育种者将注意力转向对消费者重要的食物品质。“询问消费者想要什么听起来非常明显，但事实并非如此，”佛罗里达大学的番茄育种者哈里·克莱说道。相反，他说，你几乎总是看到育种者优先考虑农民或食品分销商的需求。
经典超市番茄就是一个完美的例子。几十年来，专家们一直认为番茄中酸和糖的平衡是决定我们是否喜欢其味道的主要因素。一般来说，人们喜欢偏甜的番茄。但大多数育种者主要关心的不是风味。考虑到大型商业种植者的需求，育种者反而偏爱生产大量光滑、耐储存的番茄植株，这些番茄在通常漫长的运输到杂货店的旅程中仍能保持饱满。然而，植物产生的番茄越多，它能给每个番茄提供的糖分就越少。典型的超市番茄可能看起来很漂亮，但它们没有足够的糖分来满足我们的味蕾。
克莱决心将工业番茄从目前味觉上的低迷状态中拯救出来。通过一系列大型品尝测试，他评估了近200个传家宝番茄品种——这些品种是小农户和园丁保存下来的较老品种，并在一些杂货店和农贸市场出售。传家宝番茄以其鲜艳的色彩和奇妙的风味而闻名，但它们的表皮容易开裂和结疤，它们很快就会变软，而且它们来自的植物产量不足以满足大型商业农民的需求。
在他的研究中，克莱了解到，许多传家宝番茄比标准番茄更美味，不是因为它们含有更多的糖，而是因为它们充满了更复杂的风味成分：被称为挥发性有机化合物的刺激性化学物质，这些物质从植物中挥发出来，进入我们的鼻孔（想想：刚割过的草或诱人的柑橘香味）。在2012年的一项研究中，克莱和他的同事发现，如果番茄含有足够多的名为香叶醛的芳香化合物，人们实际上会喜欢含糖量适中的番茄。克莱怀疑，香叶醛和其他挥发物不仅赋予番茄香味，还放大了水果的天然甜味。在后续研究中，他培育出了缺乏香叶醛和其他芳香分子的番茄。人们不喜欢它们。如果番茄的含糖量处于平均水平或较高水平，但没有挥发物，志愿者就不会觉得它甜。
最近，克莱一直在尝试培育杂交植物，让种植者和消费者都能获得新旧番茄世界的最佳品质。在过去的三年里，他和他的同事们将他们能找到的最美味的传家宝番茄与现代传统番茄杂交，培育出产量高、表皮光滑坚硬、味道鲜美的杂交品种。克莱经常储备廉价的电动牙刷，他和他的团队用这些牙刷轻轻但彻底地摇晃番茄花，收集掉落在试管中的花粉，以便他们可以充当媒人。与此同时，育种者一直在使用打孔器收集叶片碎片并分析植物的DNA，寻找与高水平挥发物或完美表皮相对应的遗传模式。“基因分析绝对为杂交决策提供了信息，”克莱说道。“随着番茄基因组序列的出现，我们的工作在过去几年里确实加快了速度。”
佛罗里达大学最近发布了两个这样的杂交品种——花园宝石和花园珍宝——它希望授权给一家种子公司进行大规模分销。虽然这些杂交品种的产量不如商业番茄，但它们的产量是其传家宝亲本的三倍多，它们具有极佳的风味，并且可以经受相当程度的运输。克莱的同事万斯·惠特克正在一个相关的项目中取得良好进展，该项目旨在增强超市草莓的刺激性，这些草莓也在以牺牲口味为代价的情况下获得了尺寸和耐用性。
与哈密瓜和番茄一样，西兰花的另一个值得注意的受害者是运输困难。美国收获的西兰花约有75%产于加利福尼亚州。西兰花喜欢凉爽的天气，并在萨利纳斯山谷偶尔的雾气中茁壮成长。当被迫忍受东北部炎热潮湿的夏季时，这种蔬菜会产生带有大小不一花蕾的粗糙花球。构成西兰花树状顶端的每个小花蕾都是尚未开放的花朵。康奈尔大学的托马斯·比约克曼和他的同事最近发现，在西兰花发育的关键时期，它会追踪它享受了多少小时的低温，并且只有在总数足够高时才会产生均匀的花球。这就是为什么在东海岸种植的西兰花最终可能会出现不吸引人的混合物，既有漂亮、饱满的花蕾，也有微小、几乎难以察觉的花蕾。
三年半前，比约克曼、美国农业部的马克·法纳姆和他们的许多合作者决定培育一种新型西兰花，这种西兰花将在该国东部地区茁壮成长。在他们实验室的生长箱中，比约克曼和他的团队一直在让西兰花经受东海岸的热度和湿度水平，只保留那些在这些条件下生长出最具吸引力花球的植物的种子。虽然他们还有很多工作要做，但他们已经培育出了比目前在东部种植的品种更能应对夏季高温的西兰花。与此同时，研究人员正在搜索他们种植的各种植物的基因组，寻找能够解释为什么有些西兰花比其他西兰花表现更好的基因。找到它们可以缩短他们实现理想植物的旅程数年。
培育在炎热天气下也能保持美丽的西兰花不仅仅是一项美学练习——它还关系到将更美味、更有营养的西兰花送到农贸市场和杂货店。比约克曼说，当天收获当天食用的新鲜西兰花与典型的超市西兰花不同——它嫩滑，带有醇厚的植物风味、一丝金银花味，且没有辛辣的后味。将西兰花从加利福尼亚州运到该国其他地区需要将蔬菜在冰上黑暗中储存数天。在没有光照的情况下，光合作用停止，这意味着细胞停止制造糖分。温度的快速下降会破坏细胞壁，不可逆转地削弱植物的结构并降低其硬度。当西兰花解冻时，各种酶和分子从细胞中逸出，相互碰撞并引发一系列化学反应，其中一些反应会降解营养和风味化合物。让东部的农民种植和在当地销售西兰花可以解决所有这些问题。
为了提高西兰花的营养价值，英国食品研究所的理查德·米森和他的同事们在另一项努力中，使用了标记辅助育种来提高萝卜硫素的水平，一些证据表明这种化合物可能有助于对抗细菌和癌症。他们后来将由此产生的西兰花（名为Beneforté）授权给了孟山都；您可以在一些全食超市和Stater Bros.商店找到这种小花球。
播种创新
为了获得启动他们倡议的拨款，比约克曼和法纳姆必须通过获得私营部门的资助，向美国农业部保证种子公司对西兰花潜在的新区域市场真正感兴趣。孟山都、先正达和贝乔种子公司都在贡献资金，即使它们是竞争对手。从理论上讲，种子公司和大学研究人员都可以从这种合作中受益。在研发阶段，他们都共享信息并交换种子。然而，最终到了谈判的时候。正如克莱和他美味的番茄的情况一样，比约克曼希望一旦他和他的同事们更接近他们美丽的西兰花，一家私营公司将授权这些种子并为商业种植者大规模生产。比约克曼和他的团队没有资本自己这样做。在单个植物中寻找遗传标记可能越来越便宜，但产生大量种子并将其销售给农民仍然成本高昂。
一些植物育种者担心，由于大型种子公司比小型公司和大学拥有更多的资金和技术资源，真正的创新将会枯萎。“随着技术转移到私营部门，公共部门的育种计划已经大幅减少，”威斯康星大学麦迪逊分校的欧文·戈德曼说道，他最近推出了带有同心金条纹的火焰橙色食用甜菜。“有些人认为这种转移对这个国家来说是成功的，但公共育种将做私营部门不会做的事情——那些耗时太长或风险太高的事情。”
杰克·朱维克是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校植物育种中心的主任，他于20世纪70年代首次涉足育种领域，他记得当时的大公司远没有今天这么占主导地位。“当我刚开始工作时，有很多小公司销售大量种子，但它们基本上都被大型公司收购或挤出了市场。这改变了整个行业的格局，”朱维克说道。“我们公共机构的人不再开发成品种，而是为大型公司设计种质[种子和品种]供其使用。这些大型公司有资源进行一些良好的测试，并培育出一些真正优秀的品种，但它们最终控制了用于制造它们的大部分种质和技术。”
戈德曼和他在威斯康星大学麦迪逊分校的同事杰克·克洛彭堡属于一个由来自全国各地的20位育种者和农民组成的团体，他们有兴趣为种子创建相当于开源软件的东西——任何人都可以使用的非专利品种。在21世纪的商业种子领域，这种安排尚无先例。一个可能昂贵的选择是，植物育种者聘请律师并获得种子的标准专利或版权，目的是让几乎任何人都可以使用它们（当然，大型私营公司除外）。或者，他们可以尝试创建一种开源许可证，允许人们仅在也同意自由分享种子及其衍生品的情况下使用种子。戈德曼还提出了一种折衷方案，育种者将一些种子授权给私营部门以获取利润，但将另一些种子免费赠送。
克莱想知道，某种程度的调和是否是最佳前进方向。“现实情况是，我们在学术界无法与孟山都或其他大型种子公司竞争，”他说。“大学的育种者被挤出大宗作物市场，进入小众作物市场。在我的部门，我们有一位桃子育种者、一位蓝莓育种者和一位草莓育种者。我认识许多在孟山都工作的人，他们已经放弃了这些对他们来说是边缘作物的作物。”他希望这种二分法可以是互补的，公共和私营部门在不同的专业领域相互依赖。
最终，克莱最关心的是与越来越多的植物育种者相同的愿景：弥合种植者赖以谋生和消费者想要摆在餐盘上的东西之间的鸿沟。“标记辅助育种使得有可能回去修复风味和质地等问题，”克莱说道。“归根结底，这真的非常简单：让我们给人们他们喜欢的东西。”