工程4（2018）449主题洞察全球农业需要另一场绿色革命吗？丹尼·卢埃林CSIRO农业和食品首席研究科学家;澳大利亚技术与工程学院院士，澳大利亚1. 介绍科学和技术是社会变革的历史驱动力--大多数是好的，但有时会带来意想不到的（通常是环境）后果，其中许多后果我们今天仍在努力应对。18世纪和19世纪的工业革命，以化石燃料为动力的采矿和制造业机械化，以及航运和陆路运输的迅速扩张，导致了城市化和人口增长。即使在18世纪，人口增长的速度也显然无法持续。随着越来越多的人生活在城市，越来越少的人耕种土地，除非农业生产力能够跟上增长的步伐，否则如何养活和养活不断增长的人口？在第二次世界大战之前，特别是在第二次世界大战之后，重点是通过国际农业研究协商小组（CGIAR）国际农业研究中心联合会牵头的国际方案来改善全球农业生产。其中包括国际玉米和小麦改良中心（CIMMYT）和国际水稻研究所（IRRI），它们由政府、援助机构和私人基金会资助。第一次“绿色革命”（GR）是由诺贝尔奖获得者、农业经济学家诺曼·布劳格（Norman Borlaug）领导的;它始于墨西哥，然后蔓延到亚洲和非洲。随后在小麦、水稻和玉米种植方面的技术和农艺进步大大提高了全球作物产量。尽管这些产量并没有公平或有效地交付（因为贫困和粮食不安全仍然存在，特别是在撒哈拉以南非洲地区），但在过去50年左右的时间里，全球人口翻了一番，GR使谷类作物的产量增加了两倍，而耕地面积仅略有增加[1]的文件。在过去的20年里，人们还广泛采用了建立在遗传资源基础上的转基因（GM）作物，以减少玉米、大豆、油菜和棉花种植对化学杀虫剂和除草剂的依赖。这些创新通过提高产量（通过减少害虫和杂草的损失）、减少农药的环境负荷和减少投入，带来了可观的经济和环境效益，所有这些都增加了大小土地所有者的经济回报[2]。转基因作物不是“灵丹妙药”，也不是没有批评;然而，总的来说，它们已经被证明是是有益的[3]。如果这些技术能够获得更广泛的公众如果转基因技术被接受，它将对未来的农业生产，特别是主食作物的生产是一个好兆头尽管有这些技术进步，世界人口增长的速度继续快于粮食生产。据预测，到2050年将有98亿人居住在我们的星球上（人口比今天多30%），几乎所有的增长都将发生在低收入和中低收入国家[4，5]。平均收入将继续增加，因此有必要养活更多、更城市化和更富裕的人口;因此，谷物和肉类产量必须分别增加70%才能养活所有人。不幸的是，我们许多主要作物的遗传增益率要么低于所需的水平[6]，要么已经开始趋于稳定。此外，所有这一切都发生在全球气候恶化的情况下，这已经对现有的粮食和纤维生产系统造成了重大压力。当然，要确保当前粮食生产的更公平分配，并遏制全球范围内发生的粮食浪费现象（几乎三分之一的粮食被浪费，从未被消费[7]），还有很多工作要做。然而，将目前的粮食浪费减少一半，只会产生到2050年填补预期粮食生产缺口所需的四分之一的粮食我们需要另一个GR吗？答案当然是肯定的，但这场革命必须是一场更聪明的革命，必须在不增加生产所需耕地的情况下，实现作物产量的量子化提高。2. 下一次绿色革命将从何而来？2.1. “传统”作物育种的贡献第一个GR是由高产、抗病、矮秆谷物品种的开发支撑的，这些品种对集约化农业反应良好。下一个GR将继续使用传统的杂交和选择方法，并辅以一系列新的遗传技术，包括遗传修饰。今天的农作物育种和农业生物技术创新大部分已经从公共部门转向私营部门（特别是大型跨国生命科学公司，它们拥有专利的转基因特性和其他综合管理技术）。这并不是说，良好的国际公共研究不再发挥重要作用，https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.07.0172095-8099/©2018 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng450D. 卢埃林/工程 4 （2018）449喂养世界。然而，公共研究机构必须重塑自我，形成更多的合作伙伴关系，并更多地关注促进作物育种和目标国家已经存在的项目。CGIAR的卓越育种平台是一个可能的模式，因为它为发展中国家的小型育种活动提供了现代基因分型、生物信息学和表型分析工具的我们还需要十年或更长时间才能评估这些项目的影响，但这一举措无疑是朝着正确方向迈出的一步由于害虫、病原体和各种非生物胁迫（如干旱、高温和水涝）造成的损失，实际农场产量往往大大低于潜在产量[6]，所有这些都会降低作物产量。害虫和病原体继续与它们的宿主共同进化，并克服过去植物育种者在我们的作物中组装的预先存在的抗性机制。这些宿敌并没有随着全球变暖而消失;在许多情况下，它们的影响随着全球变暖引起的气温上升和不可预测的气候而加剧。通过培育更多的抗病虫害品种来缩小潜在产量和实际产量之间的差距，本文列举了小麦白粉病、豌豆丝孢菌根腐病、大豆胞囊线虫病等寄主植物新抗源的利用实例虽然生物技术将继续在保护作物免受害虫和某些病毒的侵害方面发挥重要作用[3]，但它在产生对真菌和细菌疾病的抗性当然，生物技术除了作物保护之外还有其他用途，例如提高我们粮食作物的营养价值或质量。然而，“黄金大米”的经验有针对性的育种和生物技术方法在过去几十年中，人们广泛采用了适应多变气候的方法。最近，它们与高通量表型分析相结合，以利用高光谱成像的新技术[9]快速评估植物对非生物胁迫的反应。然而，这一领域的进展缓慢，部分原因是作物对水分限制的生理反应复杂。在今天的基因组时代，积累的知识涉及作物物候和性能的压力下的基础基因现在是可用的。这可能有助于更好地将育种集中在对干旱胁迫下作物表现贡献最大的等位基因或等位基因小麦的多年生耐旱近缘种冰草），因为野生物种通常更好地适应水分有限的条件，或具有新的农艺性状。新的基因编辑技术[10]允许对植物和动物基因组进行有针对性的小碱基改变或删除，作物改良方法的多样性。由于这些技术的结果可能不会被冠以“基因改造”的恶名，它们可能比传统的转基因作物更受消费者的欢迎--尽管时间会证明一切。第一产品（例如，基因编辑的非褐变蘑菇）开始进入美国的食物链。基因编辑还提供了快速“驯化”具有所需特性（如耐旱性和抗病性）的新作物物种的潜力，因为应该可以快速“编辑”内源基因以增强已知对驯化重要的性状（即，不破碎的种荚，对日长不敏感等）。否则，这些特征需要几十年的时间才能实现，因此，基因编辑可以更快地将新作物投入基因组测序已经成为植物和动物育种的主流;随着测序成本的下降，新的基因组育种方法将变得更加经济实惠和容易获得。这些方法已经在驯化动物（如牛）的改良育种种群的商业生产中取得了重大进展，但它们才刚刚开始应用于植物育种[11]。尽管它们具有巨大的潜力，但许多这些基因组育种工具的成本、复杂性和基础设施要求仍然相对较高;因此，这些工具主要用于私营部门。尽管如此，公共研究机构正在增加使用这种方法也2.2. 农业生产即使有所有这些新的基因和生物技术解决方案，也很难达到未来30年所需的粮食生产目标。要实现动植物生产力的巨大变化，就需要真正的创新;这些类型的创新可能具有内在的风险，因此，我们目前资助公共或私营部门农业研发的新的筹资模式将是必要的，而且已经在两个层面上出现--通过大型慈善基金会（例如，比尔梅林达盖茨基金会的大挑战探索，洛克菲勒基金会的食物浪费和腐败倡议，以及两 个 刀 片 基 金 会 ） ， 这 些 基 金 会 AgFunder ：https://agfunder.com/）正在将农业（研究和生产）方面的好想法与大型机构和小型或个人投资者联系起来可用基因组信息的爆炸以及对活细胞中遗传和代谢网络的理解的增加催生了合成生物学的新学科，并为改善食品和食品生产力开辟了以前不可想象的新途径。合成生物学的许多社会、伦理和管理方面的问题仍然需要解决。在许多情况下，可以组装成新的遗传途径以产生合成生物有机体的基本“底盘”（最小基因组）和“生物砖”才刚刚开发出来。目前，人们关注的焦点是更温和的目标，而不是对生物体进行全面的重新设计，尽管这可能同样困难。大型国际财团（其中许多是与比尔·梅林达·盖茨基金会共同资助的）正试图利用基因技术重新设计作物，以实现以下目标，其中包括：①设计能够自行固氮的作物，而不是依赖与细菌或合成肥料的共生关系;②提高温带作物的光合效率，使它们变得更像快速生长的热带草（例如， C4水稻）;和③生产种子没有有性生殖（无融合生殖），以修复生产力的好处，交付在杂交种子，通常是失去了在下一代。其他人正在重新设计植物和微生物的代谢途径，以生产新产品，如酵母牛奶，或植物叶子中的油，以取代对石化油的部分需求，预计在不久的将来会耗尽。这些尝试中的任何一项成功都将对我们更有效或可持续地生产食品的能力产生重大影响。D.卢埃林/工程4（2018）449-4514512.3. 数字农业和农场自动化‘‘Better”下一次绿色革命，即GR 2.0，可能会更加依赖技术，以便让农民做出更好的管理决策，甚至更多地依赖自动化，以便需要更少的人来经营农场。在廉价的互联网连接传感器技术的催化下，我们开始能够从农业机械、田间传感器、灌溉泵甚至农场动物那里收集大量实时数据，所有这些都由卫星和无人机在一系列光谱频率范围内收集的越来越详细的图像数据目前，海量数据迅速超出了我们将其转化为可用信息的能力;然而，利用人工智能（AI）和机器学习开发快速简单的预测分析工具鉴于所有这些信息，以及精确的卫星和无线导航，农民真的没有理由坐在拖拉机或收割机的驾驶室里来驾驶和操作它。各级农业自动化的提高将显著提高农场在种植、化肥、农药和杀菌剂的应用、收获和灌溉方面的效率，以最大限度地提高现有耕地和可用水的产量[13]。3. 结论农业和粮食生产传统上受益于解决自然和社会挑战的创新解决方案。现在，我们比以往任何时候都更需要接受新的科学技术和新的农业研究资助模式，这样我们就可以继续把食物放在我们的桌子上，把衣服放在我们的背上。每个人都会同意，未来面临着严峻的挑战，这些挑战不仅限于气候改变;然而，我们的物种拥有应对这些重大挑战所需的独创性，以确保我们能够以可持续的方式公平地养活不断增长的人口。第一个GR改变了游戏规则，GR 2.0需要更好;然而，我们必须从早期的错误中吸取教训，并确保GR 2.0不会对土壤健康，水健康，生物多样性或人类健康产生有害影响，因为过去几个世纪农业生产的大规模集约化。引用[1] 平 加利 群岛 绿色 革命 ： 影响 、 限制 和前 进 的道 路。 Proc NatlAcad Sci USA2012;109（31）：12302-8.[2] Brookes G，Barfoot P. 使用转基 因作物技术的农 场收入和生产影响， 1996-2015。转基因作物食品2017;8（3）：156-93.[3] Thomson JA.转基因作物的利弊。Funct Plant Biol 2018;45（3）：297-304.[4] 粮食及农业组织。如何在2050年养活世界次报告.罗马：粮食及农业组织，2009年。[5] 联合国经济和社会事务部人口司。《世界人口展望：2017年订正本、主要调查结果和预发表格》。次报告.纽约：联合国经济和社会事务部人口司，2017年。报告编号：ESA/P/WP/248。[6] FischerRA，Edmeades GO. 育种和谷物产量进展。 作物科学2010;50（S1）：S86-98.[7] 联合国粮食及农业组织减少粮食浪费：社会成本和效益。次报告.罗马：联合国粮食及农业组织，2014。[8] Gartland KMA，Gartland JS。生物技术对满足未来粮食和环境安全需要的贡献。EuroBiotechJ 2018;2（1）：1-9。[9] Araus JL ， Cairns JE. 田间 高通 量表 型分 析： 作物 育种 新前沿 。 Trends PlantSci2013;19（1）：52-61.[10] 作者：George F，Ray H.作物基因组编辑：粮食安全的新机遇转基因作物食品2017;8（1）：1-12.[11] HickeyJM，Chiurugwi T，Mackay I，Powell W，Hickey JM，ChiurugwiT，等. 基因组预测将动植物育种计划结合起来，形成生物发现的平台。NatGenet2017;49（9）：1297-303。[12] Tyagi A，Kumar A，Aparna SV，Mallappa RH，Grover S，Batish VK.合成生物学：在食品领域的应用。Crit Rev Food Sci Nutr 2016;56（11）：1777-89.[13] Aravind KR，Raja P，Pérez-Ruiz M.基于任务的农业移动机器人在耕地耕作：综述。 Span J Agric Res 2017;15（1）：e02R01.
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