在过去的二十年里，作物改良的希望一直属于转基因植物：主要是添加了细菌基因以抵抗害虫或像农达这样的除草剂的作物。美国种植的玉米、大豆或棉花中，超过 85% 含有此类基因。
但改造植物的方法不止一种。
利用先进的生物技术，这些技术长期以来一直隐藏在幕后，直到现在才开始产生效益，科学家们正在改变作物，而无需利用外源基因，而且通常无需像转基因作物那样接受监管审查。
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这些作物中的许多都利用了储藏在废弃种子品种中的基因的潜在效应，创造出乍一看似乎是人工的品种。有玉米富含维生素 A 前体，以至于它实际上会发出橙色光芒，有能够在洪水条件下存活两周以上的稻米，还有能够抵抗毁灭性蚜虫侵袭的小麦。
之所以能出现如此专业化的作物，是因为研究人员正在掌握育种科学。康奈尔大学的植物遗传学家埃德·巴克勒说，利用统称为分子育种的技术，遗传学家已经开始在各种植物中取得成果，他最近帮助完成了玉米基因组的测序。
巴克勒说：“我们知道老式的好育种方法是有效的。”他还说：“其中很大一部分是基于一个世纪多前格雷戈尔·孟德尔阐述的遗传理论的智能数字游戏。”他补充说，分子育种“现在是一种更快地做到这一点的方法”。
HarvestPlus 是由比尔和梅琳达·盖茨基金会资助的非营利组织，其发展负责人邦妮·麦克拉弗蒂说，随着技术的进步，分子育种的成本越来越低，正在成为作物界的经营模式，该组织支持在非洲和亚洲进行分子育种研究，以改善植物营养。
麦克拉弗蒂说：“人们不明白我们不再使用格雷戈尔·孟德尔的方法了。”“科学在进步，有很多工具可以使用。”
事实上，分子育种只是生物技术在作物开发方面令人眼花缭乱的多样化方法的开端，这些方法颠覆了将外源基因拼接进植物的传统观念。下一代可以通过引入例如仅使用其物种的本地基因或使其自身基因的表达沉默的转基因作物来打破已经停滞的辩论（称之为农达耐受性僵局）。
环境组织绿色和平的欧洲生物技术政策主管马可·孔蒂罗说，虽然这些技术借鉴了相同的知识库，并在科学界一起传播，但许多环境组织并不反对分子育种，而是强烈批评当前的转基因作物。
孔蒂罗说：“基因工程只是现代生物技术的一部分。”“我们反对这种特定的应用。我们不反对标记辅助选择。”
剑桥大学植物学教授、英国皇家学会最近发布的一份关于农业未来的报告的主席大卫·鲍尔库姆说，大多数科学家认为，分子育种和先进的基因改造最终将形成强大的组合。
鲍尔库姆说：“在基因改造中，你必须记住有很多技术。”“有移动植物基因的转基因。有使用人工基因来沉默基因表达的转基因。还有现在在田间使用的将细菌基因移动到作物中的技术。”
孟德尔之后
几千年来，作物育种几乎保持不变：农民杂交具有高产等理想性状的植物，而且往往会在后代中再现这些性状。孟德尔阐明了这种情况，但今天的传统育种实践，尽管受到绿色革命杂交种等发展的影响，对一个世纪前的农民来说仍然大致熟悉。
分子育种在某种程度上颠覆了这种框架，甚至促使一些科学家呼吁提出新的后孟德尔育种理论。这些技术原则上依赖于越来越多的基因清单，这些基因被确定为在有限的程度上影响植物的性状。对于一些基因简单的作物（如水稻），这些基因簇具有很强的作用，而像玉米和小麦等更复杂谷物的基因则更难确定。
最简单地说，一旦这些基因或与基因相关的 DNA 片段（称为标记）被识别出来，分子育种者就可以快速定位继承了这些基因的后代进行进一步开发，从而缩短育种时间并提高作物的“遗传增益”，即通过人工选择对作物进行的世代改良，例如增加高度。
在几乎没有引起公众注意的情况下，世界上最大的种子公司，如孟山都公司、先锋良种国际公司和陶氏益农有限责任公司，一直在利用分子育种来改进其种子品种，与基因工程并行。在孟山都，这种做法已变得非常普遍，以至于该公司在最近的一篇论文中表示，“分子标记辅助育种正在成为我们传统的育种过程”，并指出其许多商业作物都来自该过程。
先锋公司等公司非常清楚转基因或转基因作物的成本以及欧洲的抵制。先锋公司的的大豆研究主管约翰·索珀说，他们会在转向转基因之前耗尽分子育种的选项。
索珀说：“转基因和标记的使用都得到了优先考虑。...对我们来说，这是一段非常激动人心的时期。”“我仍然认为这两个问题都只是冰山一角。”
标记也被用于将其他被丢弃品种的性状重新引入栽培作物。一种名为回交的著名育种技术最近变得更加有效，因为标记使科学家能够找到仅保留孤儿作物中所需（现在可检测到）基因的稀有后代。以前在回交中，许多其他基因也会从孤儿植物迁移过来，从而降低产量或口味，令农民感到沮丧。
至少有一种通过分子育种添加的性状已在亚洲和非洲引入：能够抵抗洪水破坏的新品种水稻现在正在印度、孟加拉国和东南亚被采用。富含维生素 A 前体的玉米正被 HarvestPlus 定位在赞比亚发布。
“敲除”作物
用分子育种制成的作物不被归类为转基因作物，因为其开发的第一步是授粉——这是一个重要的区别。然而，如果没有用于评估基因功能的基因工程，它们几乎不可能被创造出来，科罗拉多州立大学的小麦遗传学家诺拉·拉皮坦说。
最近的创新使“敲除”或沉默选定的基因的表达比以往任何时候都更加容易。然后在某些罕见的情况下，这种基因损失会导致足够大的变化，从而证明可以作为目标的遗传功能。拉皮坦说，这些都是基石式的试错实验。
她说：“这真的很经典。”
基因沉默本身也被用来制造转基因作物。先锋公司利用该方法生产大豆，该大豆产生的油不含反式脂肪，这是种子公司长期以来承诺但未能发布的以消费者为导向的转基因改良产品。（该作物正在等待美国批准。）正在出现许多其他应用——例如，拉皮坦的实验室发现，抑制一个基因可以扩大小麦对毁灭性俄罗斯小麦蚜虫的抵抗力。
在不久的将来，人们有理由预期作物基因可以在物种之间更容易地转移——例如，将玉米的高效光合作用应用于水稻。但是，即使不考虑这个未来，科学家现在也可以在作物品种内移动基因，本质上是在加速一个自然过程，剑桥大学的鲍尔库姆说。这种修改是否应被视为等同于引入细菌基因是一个悬而未决的问题。
毫无疑问的是，这些生物技术作物不仅将来自美国和欧洲，还将来自发展中国家。正如今年欧盟的一份报告明确指出的那样，许多转基因创新应该在长期以来主导该领域的西方种子公司之外出现。
仅印度就有至少 10 种国内开发的转基因作物在其研究管道中——包括转基因版本的花椰菜、茄子和秋葵，以及大米等主食——中国已在该研究中投入巨资。其他国家，如伊朗、巴西、阿根廷和印度尼西亚，也准备引入转基因品种，尽管许多都模仿了西方作物的抗虫或抗除草剂特性。
鲍尔库姆说，需要增加公共部门对作物开发的参与——过去几十年，随着种子演变成可专利的商品，大部分作物开发工作都已让位于公司——以便将越来越便宜的生物技术改良应用于木薯等自给自足的作物。
他说：“对于许多[作物]来说，可能没有公司参与的动机。”
这种创新是必需的。随着世界人口增加数十亿，粮食安全将成为未来半个世纪最紧迫的问题之一。皇家学会表示，许多饥饿的嘴巴将需要更高产、更好的作物，而先进的转基因作物将需要成为这一组合的一部分。
然而，科学家表示，由于许多发展中国家缺乏监管转基因作物的机制，分子育种可能是为高危人群（如亚洲经常遭受洪水侵袭的稻农）快速获取直接收益的最快途径。
潜水稻
亚洲稻农在洪水来临前几乎没有预警。
全球有超过 30 亿人以稻米为主食，近四分之一的世界稻米作物生长在容易遭受季节性和持续性洪水侵袭的雨养低洼地块中。即使是最常见、最耐旱的水稻品种，在水下浸泡四天后也会因缺乏光合作用所需的二氧化碳和氧气而死亡。
每年，南亚的低洼洪水会摧毁 400 万吨稻米，给该地区的自给自足农民造成长期的粮食不安全。加州大学戴维斯分校的植物遗传学家帕梅拉·罗纳德（Pamela Ronald）表示，通常有超过 1500 万公顷（面积相当于孟加拉国）的土地遭受洪水侵袭，损失的稻米足以养活 3000 万人。
现在想象一下，如果这种稻米在保持其传统品质（如高产）的同时，还能在洪水条件下存活数周，会怎么样？
罗纳德说：“这种水稻有潜力填补这个巨大的空白。”
罗纳德和菲律宾国际水稻研究所的作物科学家戴夫·麦基尔（Dave Mackill）利用分子育种技术做到了这一点，他们培育出了多个水稻品系，可以在洪水条件下存活两周以上。这种具有抗淹没能力的稻米品种，被昵称为“潜水稻”，已经在印度和菲律宾推出，预计将在一个月内扩展到孟加拉国，麦基尔说。
他说：“这项工作已经进行了很长时间，现在是我们获得大量成果的时候了，这些成果现在可以惠及农民。”
潜水稻的大规模部署是麦基尔十多年研究的结晶，他很久以前就在水稻的 DNA 中识别出一个名为 Sub1A 的基因，该基因似乎强烈影响了印度一种耐涝但产量低、味道差的杂草水稻品种如何比普通品种存活更长时间。
通过分子回交，麦基尔、罗纳德和他们的许多同事能够将这种过表达的基因培育到印度已经流行的水稻中，例如传奇的 Swarna 品种。（国际水稻研究所迄今为止已经改良了九个品种。）以前试图通过传统育种回交这种性状总是失败，会降低 Swarna 的味道或产量。
罗纳德说：“传统育种者一次只能引入一个非常简单的性状。” 淹没的令人兴奋之处在于，他们可以引入所谓的“数量性状基因座”，这是一个在遗传上更复杂的区域，会影响作物的可衡量变化。她说：“这是我们能够解决此类基因座的最初案例之一。”
麦基尔说，事实证明，水稻是利用标记辅助育种技术进行改良的最佳谷物。它的基因数量有限——它是本世纪初第一个完成基因组测序的作物——而且单个基因往往会产生强烈的影响。这种单独具有强大功能的基因在其他植物中可能很少见。
麦基尔说：“这是在任何作物中最难找到的东西之一。”
高产大豆
部分原因是其他谷物不容易受到少数基因的影响，因此，分子育种在公共育种界并不像十年前首次出现时所希望的那样受欢迎。除了潜水稻之外，大多数其他已发表的应用都用于抗病或抗虫，这些在遗传上更容易培育。
这种低迷还有其他原因。许多遗传标记都是在本十年才被发现的，这促使麦基尔预测下一个十年分子育种将大幅增加。他还补充说，虽然像孟山都和先锋这样的种子企业在分子育种方面投入了大量资金，但由于竞争，他们的研究都没有发表。
在过去的两年里，先锋公司强调了其利用分子育种来改良其大豆品种，其中大多数也是转基因的。先锋公司的大豆基础相对简单，并且许多自然变异都存在于通常使用的品种之外，先锋公司的大豆研究主管索珀（Soper）说。
索珀说：“未来，我们将使用一些新的分子工具来捞出我们能找到的‘大海捞针’。”
一个世纪以来，育种者、科学家和公司一直在培育作物，以提高其产量——即作物的生长量。产量是一个比麦基尔的耐涝性更复杂的性状。它不是一两个基因的问题——需要“数十甚至数百个基因才能获得农民所认为的产量”，索珀说。
他说：“我们进行了广泛的建模，以找到随着时间的推移而被选择的基因。由于我们知道植物育种者一直在为产量而育种，我们有一个理论，认为许多基因在选择过程中随着时间的推移而增加。”
这些基因对产量产生了实际影响，一些基因使大豆产量提高了近一蒲式耳。在过去的五年里，先锋公司已经了解了许多关于这些单个基因的信息，现在正在探索它们如何相互作用，索珀说。
他说：“这不仅仅是简单地添加和堆叠基因。” 将两个单独提高产量的基因组合在一起，突然这些改进就消失了。将另外两个基因组合在一起，效果就会翻倍。 “这很复杂，”索珀说。
尽管如此复杂，先锋公司仍承诺明年将其商业分子育种计划扩展到玉米，这种作物已被证明对标记辅助改良具有顽固的抵抗力。
关于玉米和猴子
玉米，也称为玉蜀黍，在遗传上很复杂——其基因组最近才被测序，比人类基因组更难拼接在一起。康奈尔大学的巴克勒（Buckler）表示，它的基因在过去的 500 万年里一直活跃，自私地行动并扰乱了基因组，使这种作物具有令人难以置信的多样性。
巴克勒说：“任何两个玉米品种之间的差异都与黑猩猩和人之间的差异一样大。这就是为什么在玉米育种方面如此成功。”
然而，部分原因是这种复杂性，用于潜水稻的分子育种类型在玉米方面取得的成功有限。巴克勒在最近一篇论文中明确指出，研究影响玉米开花时间的基因时，所调查的许多基因对该性状的影响很小。
巴克勒说：“至少对于开花时间来说，确实没有大的影响[基因]。” “这对我们未来如何取得进展有影响。……[这]意味着我们可以做出非常强大的预测，但也意味着找出单个基因会更难。”
鉴于玉米中单个基因的力量有限，巴克勒建立了一种名为嵌套关联作图的研究方法。他的实验室在纽约州北部种植了一排又一排的玉米，将一个参考品系——广泛种植的 B73——与 25 个不同的品种杂交。（培育这些群体花了七年时间。）这些多样化的群体，结合强大的计算能力，应该可以对干旱耐受性、氮利用率和铝耐受性等性状进行多种增量改良的育种预测。
巴克勒的实验室和许多其他实验室已经开始使用被认为是分子育种的下一步的方法，称为基因组选择。本十年初由牛科学家首创——实际上有一个名为“牛功能基因组学”的领域——基因组选择利用计算能力和现在可用的许多标记，根据影响性状的每个基因，而不仅仅是少数几个基因，快速做出育种决策。
巴克勒说：“[它]即使在影响很小的情况下，也能做出非常准确的预测。”
巴克勒的田地已经帮助识别出可使玉米提供的维生素 A 增加三倍的基因，使玉米穗呈现鲜艳的橙色。这种作物将被 HarvestPlus 在赞比亚使用，这是其开发含有营养价值而不仅仅是提高产量的主要作物的一部分。
巴克勒、罗纳德和其他人都对分子育种和先进的转基因作物的潜力持乐观态度。但他们仍然对做出先前表征该领域的遗传掌握预测持谨慎态度。他们强调，关于环境对基因表达的影响，还需要了解很多。
然而，很明显，基因工程和分子育种的前景至少已经开始赶上炒作。
罗纳德说，随着如此多的作物基因组被测序，现在可用的信息比 10 年前多得多……信息量大得惊人。” 第一个植物基因组的测序花了七年时间。明年，同一基因组可以在一天内以 70 美元的价格进行测序。
她说：“这足以让我们遗传学家用尽一生。”
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