处于食品革命前沿的西红柿

随着全球气温升高和极端天气事件变得越来越普遍，基因编辑能否帮助调整我们的食用植物，使其能够应对变化？

它看起来就像生长在办公室角落或大学实验室窗台上的任何其他植物。但是这种在年在明尼苏达大学种植的特殊番茄植物却与众不同。细长的叶子和红色小果实的浓密缠结是秘鲁和厄瓜多尔原产的一种野生番茄植物的特征，称为Solanumpimpinellifolium，也称为红醋栗番茄。然而，更仔细的检查使工厂的独特性更加明显。

这种特殊的植物比野生番茄更紧凑，分枝更少，但果实更多。它的果实也比平时稍暗，这是番茄红素增加的迹象，番茄红素是一种与癌症和心脏病风险降低有关的抗氧化剂。事实上，它就是这样设计的。

该植物是由遗传学家TomasCermak和他的同事使用Crispr基因编辑技术创建的，Crispr基因编辑是一项获得诺贝尔奖的技术，其工作方式类似于遗传材料的“剪切和粘贴”工具。该技术正在彻底改变农业并帮助创造未来的农作物。

Cermak本人的使命是寻找一种完美的番茄，一种易于种植、营养丰富且美味的番茄，但更能适应不断变化的气候。“理想的植物能够抵抗所有形式的压力——热、冷、盐和干旱，以及害虫，”他说。

气候变化给许多作物带来了麻烦，西红柿也不例外。西红柿不喜欢高温，在18C(64F)和25C(77F)之间生长最好。越过那个门槛的两边，事情就开始走下坡路：花粉不能正常形成，花朵不能以应有的方式形成浆果。一旦汞超过35C(95F)，产量就会开始下降。年的一项研究表明，到21世纪中叶，加利福尼亚州历史上用于种植西红柿的土地中，多达66%的土地可能不再具有适合该作物生长的温度。其他模型研究表明，到年，巴西、撒哈拉以南非洲、印度和印度尼西亚的大片土地也将不再具有种植西红柿的最佳气候。

当然，随着平均气温的上升，其他以前过于寒冷的地区可能会变得对番茄友好。然而在意大利的观察表明，极端天气也是需要考虑的。意大利北部年的生长季节受到冰雹、强风、异常高降雨量以及异常霜冻和高温的破坏。结果是

番茄植株受压和收成不佳

。

还有更多。水资源短缺迫使农民使用低质量的灌溉水，通常含有盐分，导致土壤盐分增加——这是商业番茄品种不喜欢的。与此同时，较高的臭氧水平使西红柿更容易感染细菌性叶斑病等疾病。

这一切都令人不安，尤其是考虑到西红柿是目前世界上最大的园艺作物——人类每年生产1.82亿吨水果，相当于近32座吉萨大金字塔的重量。更重要的是，我们对西红柿的需求正在快速增长——在过去的15年中，全球西红柿的产量增长了30%以上。

除了是人类最喜欢的水果之外，西红柿也恰好是一种模式作物：它们生长迅速，易于繁殖，并且在遗传水平上的操作相对简单。纽约康奈尔大学植物遗传学家乔伊斯·范·埃克(JoyceVanEck)说：“与其他植物物种相比，可用于研究的资金更多，可用于开发基因组序列、基因工程和番茄基因编辑等资源。”综上所述，这使得西红柿非常适合研究Crispr等新型基因编辑技术，它可以在不久的将来为我们带来许多气候适应性作物。

一旦确定了诸如此类的气候智能基因，就可以使用Crispr将它们作为目标，删除某些不需要的基因，调整其他基因或插入新基因

Crispr是科学家从细菌中改造而来的分子工具箱——当细菌受到病毒攻击时，它们会捕获并切断病毒DNA，以防止入侵者复制并击退它。自年以来，Crispr在植物中使用，现在允许研究人员以极高的精度和准确度修改基因组以获得他们想要的特征。您可以插入、删除基因并创建有针对性的突变。在非人类动物中，Crispr正被用于研究人类疾病模型、改善牲畜，甚至可能用于复活灭绝物种。在植物中，它可以帮助创造更好、更美味、更有营养和更具抗性的作物。

第一步是找到正确的目标基因。荷兰瓦赫宁根大学植物遗传学家RichardVisser说：“我们需要确定能够承受非生物和生物胁迫的基因，否则我们无法通过基因编辑来改变、修改或敲除它们。”

驯化作物，包括西红柿，导致了遗传多样性的巨大损失。现代商业品种可能生长迅速且易于收获，但从基因上讲，它们是普通的香草。只有四种高度同质化的作物——大豆、水稻、小麦和玉米——主导着全球农业，占世界农业用地的一半以上。

相比之下，它们的野生近亲——以及所谓的地方品种（适应特定地点的传统品种）——是遗传多样性的宝库。这就是为什么科学家们现在搜索这个基因库来确定可以重新引入商业植物的特征——DNA测序技术的成本快速下降对这一过程很有帮助。

年的一项研究着眼于Solanumsitiens的基因组——一种生长在智利阿塔卡马沙漠极其恶劣的环境中的野生番茄，可以在高达3,m（10,英尺）的海拔高度找到。该研究确定了几种与茄属植物的抗旱性相关的基因，其中一个恰当地命名为YUCCA7（丝兰是一种耐旱的灌木和树木，作为室内植物很受欢迎）。

它们远不是唯一可以用来给不起眼的番茄提神的基因。年，中美科学家对个番茄品种、育种系和地方品种进行了全基因组关联研究，并确定了一个名为SlHAK20的基因对耐盐性至关重要。

一旦确定了诸如此类的气候智能基因，就可以使用Crispr将它们作为目标，删除某些不需要的基因，调整其他基因或插入新基因。最近通过耐盐性、对各种番茄病原体的抵抗力，甚至创造了能够抵御强风的矮化植物（气候变化的另一个副作用）。然而，像Cermak这样的科学家走得更远，从根源开始——他们正在使用Crispr从头开始驯化野生植物物种，用科学来说是“从头”。它们不仅可以在一代人的时间内实现以前需要数千年的时间，而且精度更高。

明尼苏达大学的Cermak和他的同事们是如何从头驯化Solanumpimpinellifolium到他们年的工厂的。他们将野生物种中的五个基因作为目标，以获得一种仍能抵抗各种压力，但更适应现代商业农业的番茄——例如，更紧凑，更容易机械收获。新植物的果实也比野生原植物更大。

“尺寸和重量大约翻了一番，”Cermak说。然而，这仍然不是他努力获得的理想番茄——因为还需要做更多的工作。“通过添加额外的基因，我们可以使果实更大更丰富，增加糖的含量以改善口味，以及抗氧化剂、维生素C和其他营养素的浓度，”他说。当然，还能抵抗各种形式的压力，从高温和害虫到吃水和盐度。

从头驯化也可以使孤儿作物更具吸引力。这些植物的种植规模有限，但在帮助粮食安全方面具有巨大潜力。Groundcherry是西红柿的一种野生近亲，可生产出略带甜味的浆果，是最近采用Crispr技术驯化的一种作物。在不久的将来，从头驯化可以将豇豆、高粱和画眉草等作物——所有原产于非洲的谷物——带给全世界更广泛的受众。Crispr现在也被用于改良各种其他植物，从香蕉和葡萄到水稻和黄瓜。

一些科学家认为，Crispr基因编辑标志着第二次绿色革命的开始，以帮助养活快速增长的人口。Visser说，尽管这项技术确实对作物改良有很大的希望，但它“不是一种神奇的药水”。仍有技术障碍需要解决。

“在某些作物物种中，编辑效率可能是一个问题，”VanEck说。与番茄等二倍体植物（具有成对染色体）相反，那些具有多于两对染色体组（称为多倍体，如小麦）的植物更难研究。“基本上，与二倍体相比，需要受Crispr影响的多倍体中的基因拷贝数要多于二倍体，”VanEck补充道。

监管和社会接受度也是一个问题。Crispr修饰植物可以“无转基因”——这意味着与传统的转基因(GM)作物不同，Crispr技术创造的作物不包含来自不同物种的DNA（即转基因）——这是因为该技术要么涉及简单的删除基因，或者可能涉及插入来自同一物种的不同品种的基因（就像对西红柿所做的那样）。

然而，现有的少数关于接受Crispr编辑食品的研究显示出喜忧参半的情况。在美国、加拿大、比利时、法国和澳大利亚进行的一项跨国调查中，人们对Crispr编辑食品和转基因食品的看法相似。然而，在年加拿大的一项研究中，消费者更愿意接受Crispr编辑的食品。

然后，有法律。尽管年Crispr编辑的蘑菇在美国陷入法律漏洞并逃脱了监管，但欧洲最高法院在年决定，基因编辑作物应遵守与管理常规转基因生物相同的严格规定。

对于Cermak的气候智能型“理想番茄”而言，这种法律障碍加上消费者的犹豫，可能会成为主要障碍。