面向未来的作物：基因编辑可以解决粮食安全问题吗？

需要更好的农业

随着我们的文明面临人口增长和气候不稳定的双重压力，粮食安全问题再次成为亟待解决的重要问题。除了粮食安全之外，许多其他风险也不断增加，使这一问题变得更加敏感，例如生物多样性的持续破坏和物种灭绝、污染、肥沃土壤的侵蚀、耕地的城市化等等。

因此，农学家和植物学家面临着巨大的压力，他们需要提供理想的解决方案，以便同时实现碳封存、增加粮食产量并减少对耕地的影响。

“如果我们做不到这一点，我认为其他任何事情都不再重要。”

美国国务卿安东尼·布林肯出席2023年XNUMX月在纽约举行的全球粮食安全解决方案活动

最有前景的工具之一是基因工程，但它的重点与以往的作物基因编辑不同。以往的重点是不惜一切代价地提高产量，并伴随大量的化学投入，而更先进的方法可以将更高的产量与更可持续的成果结合起来。

这是伊利诺伊大学香槟分校作物科学和植物生物学教授史蒂芬·朗在一篇出版物中提出的论点¹ 题为“面向未来的农作物的需求和机遇以及利用农作物系统缓解大气变化“。

变化中的星球

前景黯淡？

在讨论如何适应之前，我们需要了解正在发生的变化，而这幅图景极其复杂。全球变暖不仅会改变平均状况，使一些地区更加肥沃，而另一些地区则更加贫瘠，而且还会增加极端事件的频率和严重程度。

这包括极端温度、干旱、洪水和地表臭氧水平，所有这些都会极大地影响农作物产量，甚至比平均状况的整体变化更为严重，而改变农业方法就足以解决这个问题。

2年，大气中的二氧化碳浓度达到427 ppm，预计到2024-600年将达到约2050 ppm。在此情景下，到2060-1.2年，全球平均气温可能再上升2050°C，最高可达比工业化前高出60°C。

关于粮食，由于人均消费量的增加、人口的增长以及随着越来越多的人迁入城市而导致的粮食生产浪费增加，到 35 年世界需要的粮食将增加 56% 至 2050%。

再加上极端事件和气候变化造成的预期农作物损失，这大致意味着到 2050 年全球粮食产量需要增加近一倍。

并非全是坏消息

然而，气候变化背后二氧化碳的上升却带来了积极的影响：它刺激了植物的生长。事实上，温室中通常会提高二氧化碳浓度来提高产量。

“随着二氧化碳浓度升高至预计的 30-2 年水平，现代优良水稻和大豆品种的产量将增加约 2050%。

C4作物——玉米和高粱——产量没有增加，因为它们在目前已经升高的水平上已经饱和了二氧化碳。”

对于具有 C3 代谢的植物来说尤其如此，这些植物包括大多数非热带作物，并且生产了大量的世界主要作物（C4 植物具有不同的代谢方式，它们在光合作用之前将二氧化碳集中在叶子中，因此环境中的二氧化碳水平与它们的关系较小是有道理的）。

来源: GforG

另一个好消息是，农作物产量翻番不仅是可能的，而且已经实现了，至少对于某些特定农作物而言是这样。

例如，农业公司的大量研发投资已经使玉米产量翻了一番，而其他主要作物，如大米、小麦、土豆和高粱（在非洲和热带地区很重要）却落后了。

来源: 皇家学会出版

处理农业问题

低海拔臭氧

对流层臭氧（O3）是阳光作用于污染气团中的挥发性有机化合物和氮氧化物而形成的二次污染物。

如今，在美国玉米带的农村地区经常可以发现浓度超过 100 ppb 的物质，而在中国和印度等主要农作物产区，浓度则要高得多。

臭氧已导致美国大豆减产5%，玉米减产约10%，每年造成约9亿美元的损失。总计起来，全球农作物减产可能高达10%。

对植物解剖结构进行基因改造，尤其是气孔（让空气进入叶片的部位），可以减少臭氧的渗透和损害。随着二氧化碳浓度的升高，气孔开放度的降低应该不会对光合作用效率产生显著影响。

来源: 科学事实

促进植物中抗氧化剂的产生也有助于减少臭氧分子的氧化，并有助于提高植物整体的抗压能力。

干旱与用水

预计气温升高和极端天气增多将导致水资源短缺现象更加严重。

到 2050 年，全球因干旱造成的玉米产量损失预计将从 21.3 年至 12.0 年期间的平均 1961% 上升至 2006%，小麦产量损失将从 9.6% 上升至 15.5%。

受旱灾影响地区比例上升最多的是非洲和大洋洲，到本世纪末，这两个地区将分别从目前的22%和15%上升到59%和58%。

在这里，较低的气孔开放度可以帮助减少植物对水的需求，并减少干旱期间的压力。

结果表明，田间烟草叶片的水分利用效率提高了15%，整株植物的用水量减少了30%。由于烟草基因改造速度极快，因此常被用作试验平台，用于研究可用于其他多种植物的基因改造。

基因工程就像引入 枯草芽孢杆菌 冷休克蛋白B（cspB）进入植物可以提高植物的抗旱能力，但尚未转化为商业应用。

促进碳封存

归根结底，植物是将水、二氧化碳和阳光转化为有机物的机器。作物的生物量只有2%被收获，其余部分则以茎或根的形式保留下来。

如果这些有机物质能够留在土壤中，而不是在几年内分解，它将使陆地净碳汇增加 50%。

更深的根系与免耕耕作方法相结合可能是答案，当通过基因操作或专门的育种计划设计出更强大的根系时，几种机制会同时激活：

• 改善土壤质量及其保水能力。
• 提高植物的抗旱能力，始终保持较高的碳吸收量。

改变细胞壁的组成成分，增加木质素和长碳分子，也可以使产生的死有机物更耐分解，将碳困在地下数十年，甚至数百年甚至更长时间。

最后，可以采取一种更积极主动的方法，目标是直接“耕作”并以工业规模捕获碳。科学家们已经发现了一些高产的C4多年生草本植物，例如 芒草 × 巨芒草 或柳枝稷（黍virgatum)和草原米草(梳状米草)，每年每公顷可捕获高达 130 吨二氧化碳，某些品种甚至可能更多。

利用 BECCS（生物能源与碳捕获和储存），可以燃烧这些生物质来发电，并捕获产生的二氧化碳并将其转移到深层地下储存中。

来源: 宾夕法尼亚州立大学

制定适当的法规

解决矛盾

大规模推广此类转基因作物的一个问题是，这些作物既可以在气候变化的情况下提高产量，甚至有助于缓解气候变化，但也必然需要使用转基因作物。

在这种背景下，主要地区不愿意使用此类作物可能会对任何利用生物技术解决气候变化和粮食短缺问题的方案造成巨大阻碍。

欧盟尤其如此，它经常彻底禁止转基因作物。但其他地区也倾向于完全禁止转基因作物获得有机标签，尽管它们设定了严格的目标，以增加其农产品的有机标签比例。

因此，在当前的立法背景下，通过更多有机农业保护环境可能意味着因无法提高产量和增加碳捕获而损害环境。

这是著名科学杂志《细胞》发表的一个主题² 题为“有机生产中的新基因组技术：基于科学、有效且可接受的欧盟法规的考虑“。

CRISPR和其他新基因组技术（NGT）

一个关键问题是区分 新基因组技术（NGT） 与之前用于创造转基因生物的更古老、更粗糙的方法不同。

这种更可控、更精确的基因工程方法包括 CRISPR-Cas9、定点核酸酶技术 (SDN)、寡核苷酸定向诱变 (ODM) 和 RNA 依赖性 DNA 甲基化 (RdDm)。

与在植物中插入外来基因相反，NGT 可以产生自然发生的目标突变，也可以插入可以与目标作物自然杂交的植物材料。

“有机农业可以在向更可持续的粮食系统转型过程中发挥重要作用，

通过引进更多种类的作物可以更加注重效率和恢复力，而NGT可以促进和加速这些作物的发展。”

因此，尽管 NGT 并非完全“自然”，但它也不会创造出不可能自发产生的新事物，而只是“引导自然之手”。

支持这一观点的人认为，有必要了解 NGT 的性质，并对所考虑的技术（转基因生物与 NGT）做出细微的区分。

有机标签能适应NGT吗？

监管机构和公众都不愿意接受有机标签中甚至“天然”的NGT，一个重要原因是，这可能会严重损害这种标签的认知。

相反，论文作者建议创建“有机+NGT”标记方案，明确指出它不仅仅是“经典有机”农业方案，也不是通常的转基因生物。

如果有机农业是欧盟推广的农业生产类型，那么在评估欧盟有机目标的覆盖范围时，需要接受所有形式的有机生产（包括 NGT+）。

这有望在不牺牲产量的情况下，为更广泛地推广有机种植方法开辟道路。尤其考虑到有机标签的意义远不止植物品种，还包括种植方法，例如农药和除草剂的使用、耕作和种植方法等等。

关于基因编辑和农业复原力的最终思考

气候条件的变化和对食物需求的增加既是重大风险，也是重大机遇。

一方面，它可能造成巨大的人类苦难和生态破坏。另一方面，它也可能成为激励我们创造更好、更可持续的农业形式的动力。

这可能会通过对农作物基因进行一些修改来实现，就像农业诞生以来那样。

新的基因组技术现在可以利用过去几十年积累的大量基因组数据来创造更有弹性和更高产的植物。

与此同时，我们对基因工程的监管和认知也需要改进。保护环境的最终目标需要克服基因工程相对原始时形成的对转基因生物的先入之见。

这并不是说我们的生物圈应该不受控制地被改变，而是说采取更加开放和谨慎的方式，利用所有可用的新工具，可以在降低大多数风险的同时提供最好的结果。

植物基因工程创新者

Corteva

科迪华是全球农业技术领域的领军企业，尤其在化学品和种子领域。该公司在机器人等新型农业技术领域也非常活跃。

该公司 17.2 年的净销售额为 2023 亿美元，拥有 22,500 多名员工和 10,000,000 多名客户，与美国竞争对手拜耳和先正达一起成为其行业中最大的公司之一。

总体而言，或许反映了消费减少和竞争加剧的更深层次趋势，2024 年化学品（杀虫剂、除草剂等）的销售额有所下降，而种子的销售额却有所增长。

来源: Corteva

深入分析，科迪华种子的核心业务是玉米和大豆，占该公司该业务收入的大部分。最值得注意的是， Corteva 的“Enlist E3”大豆对 3 种除草剂（2,4-D 胆碱、草甘膦和草铵膦）具有抗性的杂草已从 5 年的不到 2019% 增长至占据美国市场的 65% 以上。

在作物保护/化学品方面，超过一半的销售额来自除草剂，其余主要由杀虫剂和杀菌剂组成。

Corteva 目前的业务是围绕传统工业化农业展开的，这仍然是一项非常有利可图的活动，可以支撑目前的研发预算。

然而，正如我们在这里以及之前的“F农业的未来》一文中，新的可能性正在开启，而科迪华则引领潮流：

• 基因编辑 现有作物，包括 使用CRISPR技术.
• 农业科技初创企业的创新中心， 科迪华催化剂。 “机器学习平台正在协助规划该行业并确定与 Corteva 研究重点相关的技术设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
• 生物刺激剂、生物防治剂和其他天然来源的产品，如昆虫信息素 具有经过验证且可预测的性能。
• 固氮菌 （BlueN™ 或 Utrisha™ N）来制造额外的无化学肥料。
• 富含维生素 A 的生物强化谷物 改善贫穷国家的营养状况。
• 步行机器人 用于行栽作物。
• 在农场实施人工智能的实验从采摘水果到识别最佳植物以选择种子生产的性状。
• 全套软件解决方案，从土地图像数据到农场管理软件以及碳信用监测和销售。

Corteva 还在积极研究未来对绿色生物燃料和特种蛋白质日益增长的需求，到 10 年，每个产品的潜在市场规模将达到 30 亿至 2035 亿美元。

来源: Corteva

因此总体而言，虽然科迪华是“旧”工业化农业方法的巨头，但它也清楚地意识到了该行业的变化，并将自己定位为一家能够适应快速变化的农业实践的同样规模大、成功的公司。

最新的 Corteva (CTVA) 股票新闻和动态

参考研究

<sup>1. Long Stephen P. (2025) 面向未来的作物需求与机遇，以及利用作物系统缓解大气变化。Phil. Trans. R. Soc.，29年2025月XNUMX日。 http://doi.org/10.1098/rstb.2024.0229
2. Molitorisová, Alexandra 等（2025）有机生产中的新基因组技术：对基于科学、有效且可接受的欧盟法规的考量。Cell Reports Sustainability，30年2025月XNUMX日。 https://www.cell.com/cell-reports-sustainability/fulltext/S2949-7906(25)00101-6</sup>