走遍美國高產農業區，我發現中國最大的食品安全問題，是糧食安全

造就第251位講者 唐雪明

上海市農業科學院生物技術研究所研究員、博士生導師

農業部農作物環境安全檢測中心常務副主任

美國耶魯大學博士後及高級研究員

牛津大學客座教授

美國農業為什麼這麼高產？

十年前，我在美國工作和學習的時候，因為工作的原因經常從美國的東部飛往西部，坐在舷窗前時我經常俯瞰大地，欣賞田野上那一個個碧綠的圓，這是美國的集約化農田，最大的直徑有1.6公里，面積有三千多畝，它們體現了美國農業最高效的育種、栽培和管理模式。

後來，我去了很多美國的農業區，我特別關注的是加州的中央谷地，這個夾在內華達山脈和海岸山脈之間的狹長窪地，長只有720公里，寬60到100公里，就是這樣一個小小的窪地，卻是美國最重要的農產區之一，它的蔬菜、水果、堅果產量佔了全美總產量的一半。

美國只有3億人，農村人口不到2%，農業從業人口只有1%，也就是說300萬個農夫種出了全世界五分之一的糧食，可以養活20億人。換句話說，它不僅能夠養活兩個美國的人口，還能養活整整一個印度。

美國的農業為什麼這麼高產呢？

帶著這樣的疑問，我後來去了賓夕法尼亞、伊利諾伊、愛荷華、猶他、阿肯色和華盛頓州，這都是美國的農業大州。

經過考察，我深刻地認識到美國高產的原因，是廣泛地應用了現代科學技術，特別是農作物的良種化。

2007年我離開美國，來到上海市農業科學院，主要從事農作物種植的環境安全監督檢驗測試以及作物營養強化的工作，這是我的團隊。

通過這十年的研究學習和調查，我深刻地了解了我們中國農業的整體面貌，也深刻地認識到，在我們這樣一個國家，種子是多麼的重要。

中國人比任何時候都需要好種子

我們是農業大國，但我們並不是農業強國。

我們的糧食自給率不到90%，我們的糧食單產增長率只有0.6%，每年需要新增3500萬噸糧食，才能滿足我們的需求。

從2012年開始，我們的糧油棉六大作物全面進口，我們是世界上最大的大豆、棉花、水稻進口國，也是玉米、小麥、油菜的主要進口國。而在1997年，我們是當時世界上主要的水稻、小麥出口國。

我們現在的耕地面積比1997年少了1.23億畝，我們的人口佔世界20%，需要世界上20%的耕地來養活，同時需要24.7%～25%的糧油來養活。

我們常常說要把飯碗緊緊地端在自己的手裡，此刻我們比任何時候，都迫切地需要優良的種子來實現這一目標。

但是如何獲得優良的種子呢？

從發現農作物的種子那一刻起，人類上下求索了上萬年。

一萬年前的水稻和小麥，就像一根草；五千三百年前，墨西哥人發現玉米的時候，它只有我們小拇指這麼粗；荷蘭人發現最早的胡蘿蔔是紫色的，荷蘭的育種學家，經過不斷地努力，終於把這個紫色的胡蘿蔔，育成了橙色的（那是他們國旗的顏色）……

正是一代一代育種學家前赴後繼的努力，加速了種子進化的進程，我們現在看到的所有農產品的種子，都脫離了它的原始面貌，但是生機勃勃。因為自然是動態的，它不是一成不變的。

美國著名的育種學家諾曼·博洛格領導了第一次綠色革命，他培育出的矮稈小麥，拯救了南亞次大陸10億人。因此，他獲得了1970年的諾貝爾和平獎，這是諾貝爾和平獎，第一次授予一個農業科學家。他在1986年設立了世界糧食獎，這個獎成為了世界糧食發展的風向標。

2004年袁隆平先生獲得了世界糧食獎，以表彰他對雜交水稻育種作出的巨大的貢獻；

2013年世界糧食獎授予了把基因工程技術搬入到農業應用領域的三位科學先驅；

2016年世界糧食獎授予了四位作物營養強化領域的科學家，他們讓世界上1000萬人獲得了營養充足的糧食；

……

世界糧食獎在育種領域裡的頒獎進程，也代表著我們育種的發展目標，是什麼呢？是吃得飽，吃得好，而且要吃得健康。

為了吃得飽，化學農業做出了巨大的貢獻，也帶來了沉重的負擔。

2016年，我國生產了7千萬噸化肥和370萬噸農藥，除了一半出口以外，另外一半撒到了我們的土壤和水流里，它們是更嚴重的看不見的「霧霾」，隱秘地威脅著我們的健康。

比如殺蟲劑，作用在害蟲身上的殺蟲劑只有0.1%，其餘99.9%，要麼進入到土壤里，要麼流入了江河。我們土壤的負載也很嚴重，年年要高產，不得不投入化學肥料，所以我們的土壤有機質含量只有發達國家的四分之一。

要發展綠色農業，我們必須要用綠色生產方式替代化學生產方式，綠色農業的核心是種子。育種的核心在於它的遺傳性，而栽培的核心在於它的生理性。

遺傳性就是我們要了解它基因的特徵，生理性就是我們要讓種子和環境友好地結合，共同地發展。如果有一天我們把南方的柑橘種到北方，也一樣甘甜可口，那麼「南橘北枳」這個成語可以成為歷史。

如何有機地把育種的遺傳性和栽培的生理性結合起來？合成農業給我們帶來了希望。

合成農業點燃的希望

合成農業是基於合成生物學、分子模塊設計為基礎的一種高效的育種體系，這種體系包含了先進生物技術的所有內容，包括生物信息技術、信息編輯技術、基因測序技術和蛋白質表達技術等。

也就是說，我們可以根據自己的需要，人工地去設計一個系統和模塊，合成一個新的生物系統。然後，用這個生物系統來生產我們所需要的營養物質，甚至疫苗、活性蛋白、保健品，我們可以把所有優質的性狀轉入到一個種子當中去，我們也可以把一個我們需要的非常昂貴的藥物或者活性物質的整個生產合成代謝途徑轉入到微生物里，形成一個微生物工廠，通過發酵來實現它。

2009年，我們在美國微生物會刊上發表了一項非常重要的研究成果，美國微生物學會把我們這項工作譽為綠色化學的開創性工作之一。

我們把1,3-丙二醇，這種在農業、醫藥和能源領域非常重要也非常昂貴的化學原料，轉入到了大腸桿菌當中，這種大腸桿菌非常友好地接受了1,3-丙二醇的整個合成代謝途徑，就像搬進了一個小工廠。不僅如此，我們的大腸桿菌還能利用農業的廢棄物（比如說秸稈）來生產1,3-丙二醇，使得生產成本大幅度降低，改變了污染嚴重的化學工藝。這是我們合成生物學一次初步成功的嘗試。

2016年，我們把先進的基因組重排技術和分子模塊設計技術相融合，構建了耐低溫的草菇。

草菇大家不陌生，但是大家經常是在夏天看到它，冬天大家很難看到，為什麼？因為一般的草菇有一個特性，它雖然營養價值非常高，但是在低溫下會自溶，大家把它放到冰箱里，不到一晚上它就自溶液化了。這是草菇的「癌症」，很多人想把這個癌症攻克。

我們也在想，採取什麼樣的手段呢？

我們想到了基因組重排技術，這個技術以前是在低等的大腸桿菌和枯草桿菌中實現，在高等生物、高等真菌當中沒有實現過，因為很難。

我們用新的演算法，篩選了大量不同來源的草菇的品種，進行基因組測序，獲得它的不同性狀，把這些性狀進行重新洗牌，按照我們的設想，最終獲得了一個全新的耐低溫草菇品種。即使放在冰箱里兩天再拿出來，還像新摘出來的一樣。文章發表以後，我收到了大量國內外專家和機構的來信。他們說這樣一種方法，開闢了食用菌育種的一個新途徑。

最近我們在做的一項工作跟玉米有關，我們在構建一個具有高營養價值的鮮食玉米，我們把葉酸整個合成途徑，放到玉米種子當中去。

因為葉酸是我們人體所需的一種非常重要的營養物質，而人體本身卻不能合成。如果缺了葉酸，我們患冠心病、帕金森綜合症、中風和癌症的風險會增加。孕婦如果缺少了葉酸，會使胎兒發育不良。但是，過量補充化學合成葉酸，又會增加結腸癌和前列腺癌的患病風險。

所以，如果我們通過合成農業的方法，把葉酸的整個合成途徑搬到鮮食玉米裡面，在不遠的將來，大家吃一根玉米就能滿足一天的葉酸的需求，這是多好的一件事兒啊。

用科技譜寫豐收的樂章

大家對這一張圖一定不陌生，去年10月，新版的AlphaGo——AlphaGo Zero，在沒有任何圍棋知識的情況下，自我深度學習了8個小時，以100:0的比分戰勝了擊敗柯潔的那個AlphaGo，戰勝了它的前輩。

科學進步的步伐，遠遠超出我們的想像，就像我們一百年前不能想像現在的生活方式一樣，我們依然不能想像一百年以後人類是怎樣的生活或生產模式。

當人工智慧與農業結合，會帶來怎樣的面貌？

雲計算、大數據分析和植物生物學相結合的雲生物技術在美國已經誕生，利用先進的生物感測器，就像過CT一樣掃描種子和種苗，可以快速地對它們進行分揀，快速地感知植物的表型，它的葉片、溫度、水分、抗逆性、生理性以及它的葉綠素含量。在很短的時間裡面，從茫茫種苗當中快速篩選出優良的基因，提高農產品的抗病性、抗逆性、抗旱性。

雲生物學，不僅能夠進行良種的篩選，還能檢測氣候，實現精準灌溉和施肥。在美國幾萬畝的大麥田、小麥田裡，感測器可以知道今年我要撒多少肥料，這個階段我該用多少水分，極大節約了成本。

一個健康的種子，它一定含有健康的微生物菌群，就像我們人類一樣，一個健康的人，他一定包含有健康的腸道微生物。有了大數據，基因測序、機器學習之後，我們還能通過歸類、分解，找到最優的微生物的菌群，把它們定植在種子當中，讓它們團結協作。這個健康的種子菌群，會幫助種子生根發芽，抗病抗逆，獲取營養物質，茁壯成長，自身還能利用植物光合作用代謝50%的產物進行自我繁殖。這樣就形成了種子、植物和土壤之間的有機循環，就像一個和諧社會。

這是一粒玉米種子，藍色的部分就是被染了色的微生物，我們從中能夠直觀地看到它和種子之間的友好相處。有些微生物本身能分泌抗菌物質，殺死土壤里的病菌，如果我們把它噴到葉面上，可以殺死病蟲害，還能減少農藥的使用。

上一個一百年，我們用上所有農業技術產出的糧食，才能基本滿足我們人類的需求，接下來的一百年，更加不容樂觀。

我們的技術出現瓶頸，但是人口卻在增長，糧食問題是個全球性問題。我們經常講「民以食為天，食以糧為源，糧以安為先」，最大的食品安全問題是糧食安全問題。

六十年代的綠色革命帶來了第一次農業大增產，九十年代第二次綠色革命是由基因工程帶動的，我們至今還在享受它的紅利。現在，以合成農業技術為核心的綠色革命即將到來，我們必須張開雙臂擁抱它，因為它不僅僅能夠大幅度提高農業生產率，而且還將顛覆傳統農業生產模式，帶來一個全新的偉大的變革。

小時候我非常喜歡音樂，因為我有一雙靈敏的耳朵，我能夠聽懂每一個音符，只要我聽到一段旋律，我就能夠把它的樂譜寫下來。所以大學期間，我寫了不少的歌曲，也組織過樂隊，我曾經幻想長大以後當一個音樂家。

所以，當我閱讀基因序列的時候，我常常在想，如果我能夠把它翻譯成樂譜該多好呀！因為任何蛋白質都是由20種氨基酸組成的，我如果能夠把它從「20進位」，變成「7進位」，我不就能夠翻譯了嘛？那麼每一條基因，就是一張樂譜，每一個合成代謝途徑，就是一個樂章，我就能夠聽到基因表達的旋律，這是多麼美好的事情！

法國作家福樓拜曾說：「科學和藝術，往往在山麓分手，在頂峰匯聚」，我覺得，合成農業所培育的種子就是大自然給予我的最美的藝術品。

我雖然很遺憾沒有走上音樂的道路，但是當我學了生命科學，我才發現，這是大自然中最美的藝術學科。

種子的生根發芽，開花結果，就像一部交響樂一樣，像《春之聲圓舞曲》般絢麗多彩。如果我能夠譜寫下來，那一定是綠色之歌，是豐收之歌，也是完美的生命之歌！

為此我將不懈努力，謝謝大家！

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