在堪萨斯州，一个小型科学家团队正在致力于他们希望成为未来谷物的作物。在 untrained eye 看来，这种长茎、顶着种子的麦草与美国中部农田里摇曳的普通小麦非常相似。但位于堪萨斯州萨利纳的非营利组织“土地研究所”（The Land Institute）的研究人员花费数十年时间，通过年复一年的选择性育种，不断完善他们的旗舰产品。
他们表示，如今的 Kernza 比普通小麦产量更高，每株穗子上的籽粒也更多。而且这种作物是多年生的，意味着它每年都会重新生长，无需耕作和重新播种。这有助于将碳保留在土壤中，并减少对化学除草剂的需求。而且由于根系留在土壤中，多年生作物能有效防止土壤侵蚀。
据“土地研究所”称，今天种植 Kernza 的农民并不多，仅有一百多位。但该组织希望，随着种植者开始寻找新的、更好的作物，他们精心培育的谷物将逐渐赢得全国人民的心、思想和胃。
Kernza 仅仅是即将到来的农业创新浪潮中的一个例子。定制作物——通过育种项目杂交或通过基因工程技术进行微调，以提高产量并更能抵抗极端环境条件——比以往任何时候都更加普及（也更加精细）。
最新改良作物来得正是时候：气候变化给世界各地的农民带来越来越大的压力，因为 干旱和热浪 加剧，降雨模式也变得更加不稳定。近年来，美国中部、澳大利亚和欧洲的严重干旱威胁着粮食生产，并导致一些农民 破产。这迫使许多地区的农业生产越来越依赖地下水储备，进一步加剧了含水层的压力。
日益加剧的干旱尤其令人担忧。一次严重的干旱可能引发农业崩溃、粮食价格上涨和部分地区饥荒的恶性循环。即使是美国也可能无法幸免：一项研究调查了潜在的 现代“沙尘暴” 的影响，发现类似的灾难性干旱可能导致该国玉米和大豆产量在一年内下降约 40%，小麦产量下降约 30%。
与此同时，全球人口正在迅速增长，需要更高的作物产量。根据联合国估计，到 2050 年，地球上的人口可能接近 100 亿。这意味着还要多养活大约 20 亿人。人类面临的挑战显而易见：改进我们的农业实践，否则就将承受后果。
培育更好的作物
人类自农业诞生以来，就一直在改变我们食用的作物。随着农业的发展，农民会选择那些具有更高产量等更理想特性的作物。这反过来又影响了小麦、大米等作物的基因构成——这是基因工程的第一个例子。
像 Kernza 这样经过几代人选择性培育的作物，只是数千年古老过程的最新迭代。如今，人工智能和基因测序等新工具使科学家能够以前所未有的精度混合和匹配作物。研究人员已经在探索如何培育 适合特定地区条件的杂交作物：这里更耐旱，那里更能抵抗当地病虫害。
随着我们技术能力的提高，我们也找到了塑造植物的新方法。几十年来，物种间的杂交为农民引入新品种提供了途径。四十年前，科学家开始使用一种称为农杆菌的细菌，通过水平基因转移 将基因插入植物。到 2000 年代，包括棉花、大豆和烟草在内的许多作物已被批准生产转基因品种。根据美国食品药品监督管理局的数据，如今在美国，农民种植的大豆中有 94% 和玉米中有 92% 含有基因添加物。
许多这些改良都可以被认为是微小的，例如赋予抗虫性以减少化学杀虫剂的使用。另一些则在作物收获后仍然有益，例如一种新的 不易褐变 的土豆品种，可以延长其保质期。根据 2014 年的一项荟萃分析，转基因作物的采用总体上使全球杀虫剂使用量减少了 37%，产量却提高了 22%。
新的绿色革命
面对农业新威胁的未来，科学家们也正在追求转基因作物更宏伟的目标。
其中一个最引人注目的项目是 黄金大米，它通过插入基因产生 β-胡萝卜素，人体最终会将其转化为维生素 A。全球有数百万人患有维生素 A 缺乏症，而这种转基因大米似乎提供了一种简单的解决方案。但几十年来，来自环保组织、农民和其他方面的反对意见阻碍了黄金大米的进展。尽管它仍然是一个可行的选择，但这种“奇迹”作物尚未得到广泛采用。
科学家们还将基因编辑技术应用于各种植物。其中大部分初步工作依赖于 CRISPR 基因编辑技术，该技术允许科学家剪断 DNA 链并将新基因插入人类和植物材料中。
爱荷华州一家与玉米合作的团队表示，其 改良品种 在干旱条件下比普通品种产量更高。无视黄金大米的争议，中国广州的一个团队正在测试 四种不同基因的稻米，每种都通过 CRISPR 引入了不同的基因。他们说，一些最有前景的变种产生了谷粒更多或更大的稻米植株，这可能会提高产量。
其他研究旨在帮助作物更好地抵御疾病——甚至提供视觉上的吸引力。例如，使用 CRISPR 进行的基因编辑 可以让番茄的保质期更长，甚至变成粉色或黄色等不同颜色。同样，基因工程可以保护 葡萄免受有害真菌 的侵害，并 黄瓜免受植物病毒 的侵害。
然而，工程作物可能带来比更坚实的果实和更有活力的蔬菜更广泛的好处。正如《自然植物学》杂志最近的一篇 社论 所指出的，一些科学家希望利用 CRISPR 或其他基因工程方法来教会植物将空气中的氮转化为自身的生长养分。
氮是植物必需的营养素，农民依赖商业肥料来提供商业农业所需的大量氮。但大多数豆科植物，包括大豆、鹰嘴豆和花生，都能自行固氮，这得益于与细菌的共生关系。如果我们能通过插入新基因等方法将这种能力扩展到所有植物，就能大大减少世界对化肥的依赖。
其他研究人员则希望改进古老的光合作用过程，即植物将阳光转化为能量。光合作用是一个复杂的过程，涉及多个步骤，其中一些步骤的效率还有待提高。通过 调整相关的化学反应，一些研究人员找到了提高植物从光合作用中获取能量的方法，从而提高了能量利用效率。更多的能量可能意味着更高的产量和更强壮的植物。
未来的农作物可能与我们今天吃的农作物看起来差别不大。玉米很可能还是黄色的，苹果可能仍然是红色的。但创造它们的植物所发生的变化，无论是让它们在干旱面前更坚韧，还是让它们对病毒和真菌免疫，都已经在这世界各地的实验室和农田中进行。人类在地球上的扩张史与我们可靠生产食物的能力息息相关——尽管农业因气候变化和人们的需求而不断变化，但这一点至少几乎肯定会保持不变。
