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；西红柿光滑而富有光泽；甜瓜结实且色彩鲜艳——但往往都缺乏风味。对于这些平淡无奇的美丽，我们只能责怪自己。通过有选择地培育产量尽可能高，并且能够在黑暗、凉爽的条件下经受数周运输和储存的作物，我们从食物中榨干了风味、香气和营养。
想想哈密瓜给植物育种者带来的困境。要享受哈密瓜的全部风味，您必须在哈密瓜达到最佳成熟度时，并在它变得太软之前采摘和食用。在哈密瓜发育的后期阶段，激素乙烯的爆发会导致果实迅速成熟和软化。这种快速的成熟使得跨州或跨国运输哈密瓜变得困难：即使在冰上，甜瓜在航行结束时也会变成糊状。因此，植物育种者通过杂交授粉仅自然产生最低量激素的甜瓜，从而降低了用于长途运输的哈密瓜中的乙烯水平。没有强烈的乙烯激增，甜瓜在从田地到农产品区的旅程中保持坚实，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 De Ruiter Seeds Group 聘用的植物育种者 Dominique Chambeyron 成功培育出了一种小型条纹哈密瓜，这种哈密瓜在收获后数周仍能保持其硬度和风味。这种名为 Melorange 的品种在中美洲种植，并在 12 月至 4 月期间（当地太冷而无法种植哈密瓜时）运往美国的 Sam's Club 和其他精选连锁店。我去年尝试了一片：它的质地致密，风味和香气浓郁到近乎辛辣。不幸的是，Melorange 背后的传统育种方式在很大程度上依赖于偶然性。完善一个始终令人印象深刻的新品种可能需要十多年的时间。育种者必须反复杂交授粉植物，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。他们收获的大部分都远远偏离目标，完全无法使用。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
遗传学最近提供了一条替代途径。在 2008 年收购了 De Ruiter 的孟山都，Jeff Mills 和他的同事们能够在将单粒种子播种到地里之前，预测哈密瓜植物最终果实的质量。首先，Mills 和他的团队确定了 Melorange 独特风味和硬度组合背后的甜瓜基因。他们可以在合作且很大程度上自主的机器人组的帮助下，在哈密瓜种子中寻找这些遗传“标记”。
2013 年 11 月，当我参观孟山都位于加利福尼亚州伍德兰的蔬菜研究和开发总部的分子育种实验室时，我看到了许多这样的机器在运转。一台种子削片机削掉一小片种子用于 DNA 分析，留下剩余的完整内核，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，以化学方式将荧光标签粘附到相关的基因上（如果存在）。还有一台机器放大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。
这种称为标记辅助育种的技术并非全新，但由于基因测序变得更快更便宜，它们在过去 10 年中实现了前所未有的农产品完美主义壮举。孟山都的种子削片机可以 24 小时运转，整个系统可以在两周内向育种者交付结果。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、色彩更丰富、形状更好、营养更丰富的水果和蔬菜，其中一些已经在杂货店和农贸市场有售。除了越来越美味的甜瓜外，丰收还包括比平时含有更多营养物质的西兰花、真正多汁的草莓以及既赏心悦目又美味可口的西红柿。
“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，她是一位马铃薯育种者，同时为美国农业部和威斯康星大学麦迪逊分校工作。“我这里有一位研究生 [在 2009 年] 花了三年时间试图识别与抗病性相关的 DNA 序列。在实验室工作了数百小时后，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 200 株植物的 8,000 个标记。”
所有这些关于 DNA 分析的讨论听起来可能很像基因工程——基因编辑技术，它创造了转基因生物 (GMO)。但事实并非如此。这是一种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 9,000 年来，人们一直在改变植物以适应他们的用途。我们吃的几乎每一种水果和蔬菜都是驯化物种，我们通过数十年来的人工选择和育种对其进行了改造：仅保存具有最理想特征的植物的种子，并有意识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、穗粗的玉米，并将一种野生卷心菜塑造成西兰花、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 70% 以上的加工食品都含有用转基因玉米、大豆和油菜籽制成的成分，但在超市销售的鲜蔬菜和水果中，经过基因工程改造的却很少。例外情况包括抗病毒的木瓜、李子和南瓜，以及抗虫害的甜玉米。
新鲜水果和蔬菜很少是转基因生物的原因之一是，总的来说，它们的利润远低于该国最大的农作物：玉米、大豆、干草、小麦、棉花、高粱和水稻，而且种植范围也较小。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来处理批准转基因生物上市销售所需的繁琐且成本高昂的安全测试和联邦监管程序。
转基因水果和蔬菜的另一个大障碍是公众的反对。大学和种子公司知道，今天将新的转基因生物引入农产品区可能会在美国民众中引发轩然大波，他们反对他们认为是“弗兰肯食品”的东西。大多数购物者仍然没有注意到商店中已经存在的少量转基因水果和蔬菜，因为它们通常没有贴上标签。
在过去十年中，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改进且科学家们继续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而言重要的食物品质。“询问消费者想要什么是理所当然的，但事实并非如此，”佛罗里达大学的西红柿育种者哈里·J·克莱说。相反，他说，你几乎总是看到育种者优先考虑农民或食品经销商的需求。
一个完美的例子是经典的超市西红柿。几十年来，专家们一直认为西红柿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，人们喜欢偏甜的西红柿。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、坚硬的果实，这些果实通常在漫长的旅程中到达杂货店时仍能保持饱满的西红柿植株。然而，植物生产的西红柿越多，它能给每个西红柿的糖就越少。典型的超市西红柿可能看起来很漂亮，但它们没有足够的糖来满足我们的味蕾。
克莱决心将工业西红柿从目前的味觉低迷中拯救出来。通过一系列大型口味测试，他评估了近 200 个品种的老品种西红柿——由小农户和园丁保存并在一些杂货店和农贸市场出售的较老的品种。老品种以其鲜艳的色彩和美妙的风味而闻名，但它们的表皮容易破裂和结疤，它们很快就会变软，而且它们来自的植物无法生产出足够的果实来满足大型商业农民的需求。
在他的研究中，克莱了解到，许多老品种比标准西红柿更美味，不是因为它们含有更多的糖，而是因为它们富含更复杂的风味成分：被称为挥发性有机化合物的刺激性化学物质，这些物质从植物中飘出并进入我们的鼻孔（想想：新鲜的草或诱人的柑橘气味）。在 2012 年的一项研究中，克莱和他的同事发现，如果西红柿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西红柿。克莱怀疑香叶醛和其他挥发物不仅赋予西红柿气味，而且还放大了水果固有的甜味。在后续研究中，他培育出了缺乏香叶醛和其他芳香分子的西红柿。人们不喜欢它们。如果西红柿的糖含量处于中等至高水平，但没有挥发物，志愿者就不会觉得它甜。
最近，克莱一直在努力培育杂交植物，让种植者和消费者都能获得新旧西红柿世界的精华。在过去的四年里，他和他的同事们将他们能找到的最美味的老品种与现代常规西红柿杂交，培育出产量高、果实坚实光滑且味道极佳的杂交品种。克莱经常储备廉价的电动牙刷，他和他的团队用它们轻轻但彻底地摇晃西红柿花，收集掉落到试管中的花粉，以便他们可以做媒。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。“基因分析无疑为杂交决策提供了信息，”克莱说。他说，在 2012 年西红柿基因组序列出现后，这项工作大大加快了速度。
佛罗里达大学在 2013 年底发布了其中两个杂交品种——Garden Gem 和 Garden Treasure。它正在将它们授权给种子公司进行大规模分销。虽然杂交品种的产量不如商业西红柿，但它们的产量是其老品种亲本的三倍多，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 Vance Whitaker 正在一个相关的项目上取得良好进展，以增强超市草莓的刺激性，超市草莓也以牺牲味道为代价获得了大小和耐用性。
与哈密瓜和西红柿一起，另一个值得注意的受分销困难影响的农产品是西兰花。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笼罩下茁壮成长。当被迫忍受东北部炎热潮湿的夏季时，这种蔬菜会产生多节的菜头，花蕾大小不一。组成西兰花树冠状圆顶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发现，在西兰花发育的关键时期，它会跟踪它享受了多少小时的凉爽温度，并且只有当总数足够高时才会产生均匀的花头。这就是为什么在东海岸种植的西兰花最终可能会出现难看的混合物，其中既有漂亮、饱满的花蕾，也有微小、几乎难以察觉的花蕾。
2011 年初，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的西兰花，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室中，比约克曼和他的团队一直在让西兰花经受东海岸的热量和湿度水平，仅保留在这些条件下生长出最具吸引力的花头的植物的种子。虽然他们还有很多工作要做，但他们已经培育出了西兰花，与目前在东部种植的品种相比，这种西兰花可以应对更多几周的夏季炎热。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，寻找基因来解释为什么有些西兰花比其他西兰花长得更好。找到它们可以缩短他们实现理想植物的旅程。
培育在炎热天气中保持美丽的西兰花不仅仅是一项美学练习。这也关系到将更美味、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食品不同——它嫩滑，带有温和的植物风味，一丝金银花味，没有刺鼻的余味。将西兰花从加利福尼亚州运往该国其他地区需要在黑暗中用冰冷藏数天。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。温度的快速下降会破坏细胞壁，不可挽回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并相互碰撞，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·米森和他的同事们使用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。此后，他们将由此产生的西兰花 Beneforté 授权给孟山都；您可以在一些 Sam's Club、Harris Teeter 和 Stater Bros. 商店找到这种小花球。
播种创新
为了获得启动其倡议的资助，比约克曼和法纳姆必须向美国农业部保证，种子公司对西兰花潜在的新区域市场真正感兴趣，方法是从私营部门获得资金。孟山都、先正达和 Bejo Seeds 都在捐款，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。
与克莱和他美味的西红柿一样，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在商业规模上大规模生产它们。这样做需要大量资金。在单个植物中寻找遗传标记可能变得越来越便宜，但产生大量种子并将其销售给农民仍然很昂贵。
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财务和技术资源，真正的创新将会枯萎。“随着技术转移到私营部门，公共部门的育种项目大幅减少，”威斯康星大学麦迪逊分校的欧文·戈德曼说，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。”
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校植物育种中心主任杰克·朱维克在 20 世纪 70 年代首次涉足育种，他记得当时的大公司不像今天这样占主导地位。“当我刚开始工作时，有很多较小的公司销售大量种子，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结构，”朱维克说。“我们公共机构的人员不再开发成品种，而是为大型公司设计种质 [种子和品种] 以供使用。这些大型公司有资源进行一些良好的测试并生产一些非常好的品种，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·克洛彭堡属于来自全国各地的育种者和农民团体，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。尽管如此，在 21 世纪的商业种子领域，这种安排是前所未有的。一种可能成本高昂的选择是让植物育种者聘请律师并获得其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，不包括庞大的私营公司）。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免费共享种子及其用种子制造的任何东西的情况下才能使用种子。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，一定程度的调和是否是前进的最佳方式。“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型作物，转而进入小众作物。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。我认识孟山都的很多人，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，公共部门和私营部门相互依赖，各有专长。
最终，克莱最关心的与越来越多的植物育种者一样的前景是：弥合种植者赖以谋生与消费者希望在餐盘中看到的东西之间的鸿沟。“标记辅助育种使我们有可能回头修复风味和质地等问题，”克莱说。“归根结底，这真的很简单：让我们给人们他们喜欢的东西。”