未来作物：修修补补农场需要更好的产品。对基因组的进一步了解可以实现这一目标。C4，这个名字听起来像是上世纪70年代电动汽车的失败作品。事实上，它是植物分子生物学中最重要的概念之一。约10亿年前，光合细菌与植物祖先的细胞共生而居，植物细胞由此获得了光合反应的能力。这些细菌留下的后代被称为叶绿体，它们位于植物细胞内，吸收太阳光，并利用太阳光的能量将水分解成氢和氧。得到的氢随后与二氧化碳化合形成小分子的中间物质，随后被组装成糖类。这种光合反应被称为C3反应，因为其形成的中间物质含有3个碳原子。不过，由于叶绿体形成之后，植物进化出了光合作用的另一途径，形成了含有4个碳原子的中间物质。C4类型的光合反应往往比C3类型更高效，尤其是在热带气候环境中。起源于热带地区的几种重要作物就使用C4途径进行光合反应，如玉米、小米、高粱和甘蔗。C4类型光合作用如此之有用，因而它已经在60多种不同的情境下发生了适应性进化。不幸的是，水稻的祖先并没有包括其中。而水稻是全球第二大重要粮食作物，仅次于小麦。对于水稻这种表现已经非常突出的热带作物来说，如果它能够采用C4途径，其产量会比目前产量增加50%。在马尼拉城外的洛斯巴尼奥斯，国际水稻研究所的研究人员正试图展示如何实现这一目标。由保罗·奎克（PaulQuick）负责协调的C4水稻项目是一个全球性的计划，参与者还有来自亚洲、澳洲、欧洲和北美地区其他18个实验室的生物学家。其任务涉及到向水稻中添加5个外源酶，在水稻中构建一个额外的生化合成途径，对某些植物叶片细胞进行重新组合形成特殊的环境，让二氧化碳在这里能够以C3途径所没有的方式被富集。这些反应往往在其他植物中天然存在，因此通过人为操作实现这类反应并不是什么难题。该研究小组已经得到了一些含有玉米基因以产生这些额外酶类的水稻株系，目前他们还在对这些基因序列做微调，以提高其效能。更艰巨的工作是找出实现这类转变需要哪些遗传变异，而这或将再花费10年时间。因此，C4水稻项目旨在通过突破产量瓶颈，让全世界再次重温“绿色革命”时代那种激动人心的增产速度。其他同样充满动力的团体也在努力让更多作物能够抗旱、抗高温、抗冻、抗盐碱；诱导作物对病虫害更强的免疫力；提高作物的营养价值；使作物更高效地利用水和磷等资源，甚至让没有固氮能力的作物也能够从空气中直接获得这种蛋白质合成所必须的成分，而不需要从土壤中以硝酸盐的形式吸收氮。这类创新作潜力是巨大的；可惜，由于技术和社会两方面的原因，它们目前还没有发挥出应有的潜力。不过，这种状况应该很快有所改观。转基因作物初期见证了两个巨大的成功和一个壮观的失败。所取得的成功是向许多作物（尤其是玉米、大豆和棉花作物）中转入了两种基因。这两个基因都源自于细菌，一个能够保护宿主远离讨厌的害虫，另一个能保护宿主不受特定除草剂的伤害，也就是说，那些除草剂能够更有效地为农田除草。这两种转基因性状都深得农民喜爱。最大的失败是，它们俩都不受消费者待见。有些人不关心这些性状，更多的人则积极反对。尽管几十年来并没有任何证据表明食用转基因作物有害健康，并且它们对环境造成的影响也很小，却仍然被“遗弃”。因为棉花不是食物，而大豆和玉米最主要还是作为动物饲料，所以反转运动在这些作物上的影响已经销声匿迹。但无论是扩大转基因作物的应用范围还是扩大现有转基因性状的应用范围，这些想法（除少数例外）在商业上都被认为太过冒险，不值得尝试。此外，转基因（即将基因从一个物种转移到另一个物种的技术）事实上是一个偶然事件。很难控制被移动的基因插入到基因组哪个地方。对基因而言，这一点很重要，插入基因组的某些地方比其他地方的效果更好。量身定制因此，搜索在这方面一直是比转基因更好的方式。还有一个是最近新出现的技术，它的支持者希望它能够一石两鸟突破技术方面和社会方面的双重障碍。这种新方法称为基因组编辑，它通过插入、删除或替代一小段DNA的方式在基因组中进行原位修饰，改动的序列甚至可以少到单个遗传“字母”（或是核苷酸）。这不仅使得这项技术很精准，它还类似于天然发生的突变过程，而天然突变则是所有常规植物育种的基础。这种技术或许不致在消费者中引起太大争议，并且有望监管部门会以不同于转基因的方式对待它。在一系列的出师不利之后，大多数研究者一致认为，一种名为CRISPR/Cas9的技术正是让编辑作物基因组具有现实前景的技术，它来自于细菌切割入侵病*的系统。转基因技术已经避开小麦，因为它主要是给人吃的。但杜邦的种子部门——先锋公司已经开始尝试用CRISPR/Cas9来阻止小麦的自花授粉，让杂交种的培育更加容易。同样，中国科学院的研究人员正在使用这种技术尝试开发抗白粉病的小麦，白粉病对小麦的危害很大。目前，在农作物上进行的基因组编辑也并非都使用CRISPR/Cas9技术。比如位于圣地亚哥的Cibus公司就采用了一项名为“快速性状研发系统（RTDS）”的专有技术，它选择一种细胞中天然存在的DNA修复机制来对基因组进行单核苷酸的改变。利用RTDS已经研制出了一个商业化产品，它能够耐受常规的转基因油菜无法耐受的除草剂。不过，当前CRISPR/Cas9的势头正劲——即使它因为某些原因而失败，其他的细菌性抗病*机制也可以介入。消费者是否会接受基因组编辑还有待观察。但是，没有人会反对作物改良的第二大快速方法：一种名为基因组选择的高效率育种技术。基因组选择是分子标记辅助选择的一个更高级版本，而后者本身正在取代常规的作物育种技术。基因组选择和分子标记辅助选择依赖于识别在所谓“数量性状位点（QTL）”附近发现的被称为“分子标记”的特定DNA片段。QTL是基因组中含有一个或多个基因并且具有对表型的可观测效应的一部分。如果分子标记存在，就能找到相应的QTL。据此关系可认为带有分子标记的植物应当会显示出相应QTL对表型的贡献。常规的分子标记辅助选择和基因组选择之间的差异在于，前者依赖于数百个分子标记（比如DNA串联重复的地方），这些位点通过特定技术发现并使用。而现在，检测方法的改进意味着单核苷酸多态性（SNP）能够作为分子标记使用。SNP是单个遗传字母发生变化的地方，而基因组其他部分保持不变。SNP有数千个。再加上目前计算机强大的处理能力，有可能将SNP与QTL之间关联起来，并分析QTL自身之间的相互作用。结果会得到一个有效的系统，能够告诉育种家哪些植株值得继续培养，而哪一些应该相互杂交以得到最好的结果。通过这种方式得到的作物品种已经进入市场了。AQUAmax和Artesian是分别由杜邦和先正达研制的抗旱玉米品种。有趣的是，这两个品种都是孟山都利用转基因方法研制的抗旱玉米DroughtGuard的竞争对手。基因组选择还为作物的科学改良提供了机会，而种子公司往往忽视了这一点。NextGenCassavaProject是一个泛非洲组织，计划以这种方式降低木薯对木薯花叶病*的易感性，然后系统性地提高作物产量和营养特性。该项目的研究人员已经鉴定得到了个木薯SNP，并且已经将这些SNP标记进行了三代的基因组选择。除了让木薯抗病*，他们还希望最终获得的品种的产量翻番，并且淀粉特性增强（由此增加木薯的营养价值）。如果现代技术能够以相似的方式应用于那些大型种子公司不怎么感兴趣的小作物上，比如谷子和红薯，其产出回报可能会相当丰厚。长期来看，某些研究人员有着更大的野心。去年，美国农业部农业研究服务中心的唐纳德·奥特（DonaldOrt）和他的同事们提议不仅要重现进化而且要以尚未发现的进化方式真正重新设计光合反应过程。奥特博士建议对叶绿体分子进行调整以捕捉光谱频率更广的光能，并以更有效的方式分配这些能量。他还在努力改良植物吸收二氧化碳的途径。他希望能够得到生长速度更快、更高产的作物。这种想法是有争议的，并且可能需要几十年的时间才能取得成果。但它们并不是凭空幻想。转基因（从光合细菌中引入新形式的叶绿素）、基因组编辑（增强植物体内现有的光合途径相关酶类）和基因组选择（组合优化）等手段的组合或许能够很好地实现这些目标。那些将这类作物改良手段视为非天然甚至怪物的人应该想想，现代植物祖先一路走来变成今天这副模样，背后发生的是完全一样的故事，这是一场细菌与其宿主的相遇，随后因互惠互利而发生的共生适应调节。创世之初，正是这种进化飞跃让地球变成绿色的星球。至少我们应该考虑一些可能让它再次绿化的类似方式。养殖业：新鲜送达深海鱼类的内陆养殖或将缓解海洋生态压力在巴尔的摩内港货运码头大楼的地下室，海洋和环境技术研究所的水产养殖者正在试图建立一个人工生态系统。约拿·佐哈（YonathanZohar）和他的同事希望将海洋鱼类的养殖从海洋环境中解放出来，使内陆也可以建起养鱼场。供当天食用的新鲜的鱼从海水（自来水和盐的适当混合物）中打捞上来，或将有数以百万计的内陆人口有机会享用这些美味，而现在，他们只能等待深度冷冻的鱼从遥远的深海中运来。同样重要的是，深海鱼类的养殖者们将不必去寻找适合养殖这些鱼的近海海域，建起围栏等它们长到可出售的大小，放任这成群的鱼去接触病菌、污染海洋环境。自古以来，人们就会在池塘中养殖淡水鱼类，而对于像三文鱼这种主要生活在盐水中的鱼类，其人工养殖历史只能追溯到几十年前，与此同时，淡水养殖业已转型扩大为工业经营规模。现在，鱼类养殖业欣欣向荣。如下页图表所示，人类对养殖鱼类的消费量已经超过对牛肉的消费。的确，未来养鱼业不失为向人类提供足够动物蛋白的一个好办法。不过，如果要保持这种旺盛的发展势头，佐哈博士提出的这类技术必须更加具有创造性。他的生态系统即将进行商业化测试，该生态系统借助于三重细菌纯化，因此能持续地重复利用同一批海水。第一重纯化是将将鱼类排泄出的氨转化为硝酸根离子，第二重纯化将这些离子转化为氮气（一种无害气体，空气中含有78%的氮气）和水。第三重纯化针对从水中滤出的固态废物，将其转变为甲烷，这种气体可通过一种特殊的发电机为整个生态系统提供一部分能源，用于维持生态系统的运行。结果就得到一个可安置于任何地点的封闭系统，无污染，并能保持无病菌环境。它还能防止鱼类逃逸。这就意味着，现在因为可能会逃离并在野生环境中繁殖而无法在美洲养殖的古老物种（如海鲷鱼和海鲈鱼）有可能即时送达世界各地的餐桌上。除了改造养鱼场的设计，佐哈博士还致力于扩大养殖品种的范围。他花费几十年时间研究促产卵的荷尔蒙系统，现在已能够根据需要刺激产卵。他还研究了鱼苗孵化的条件，这些条件往往与成年鱼茁壮成长所必须满足的条件完全不同。此刻，他正努力在最受欢迎的物种之一蓝鳍金枪鱼身上实现这个目的。如果他能成功，将由此为这个种群数量正在急剧下降的野生物种提供一个很好的替代方案，世界各地的寿司爱好者将永远感谢他。去养鱼鱼类养殖者曾梦想着利用转基因方法让他们的鱼适应这些变化从而长得更快。事实上，在过去的几十年中，研究人员已经在超过35种鱼身上进行了这类尝试。他们往往都能获得巨大的成功。但只有一个公司坚持到了最后的法规审批阶段，那就是AquaBounty公司的转基因大西洋鲑鱼，这种鱼现在已在美国和加拿大获得了法规许可，具有令人满意的快速生长性状。它的体内转入的基因取自于大鳞大马哈鱼，使得它一年四季都能长肉，而不是只在春夏两季。由此让这些鱼生长到可出售大小的时间缩短了一半。不过，人们是否愿意吃这种转基因鱼，还需要它亲自实践——所有其他研究者太清楚公众对转基因作物的普遍反对态度，因此都不太愿意进行这类转基因动物研究。这可能是明智的。野生鱼类之间的天然变异如此之多，以致于无需任何高科技的帮助，仅仅只是常规选育方式就能够得到许多不同的性状。早在年，Akvaforsk的研究人员（现为挪威食品、渔业和水产养殖研究所NOFIMA的一部分）发表过一份报告称，30年以来该国三文鱼养殖者的选择性育种已经得到了生长速度比野生亲缘种快一倍的品种。不得不承认，虽然起点低，那些养殖者的确完成了今天AquaBounty公司所取得的成就，但没有依靠转基因的帮助。如果常规选育就能产生这样的性状改良，很容易让人怀疑：为什么还要去用那些复杂的技术呢？容易，但无需怀疑。因为，在了解鱼类DNA改良的基础上，应用于作物上的基因组选择策略也可以应用于鱼类。位于挪威卑尔根的SalmoBreed公司的研究人员已经采用了这种策略，但并非为了创造更大、生长更快的鱼，而是为了对付鱼类养殖业的两大祸害——虫害侵袭和病害感染。通过追踪SNP（单核苷酸多态性，基因组中单个遗传字母的变异，可用于遗传选择分子标记），他们得到了抗海虱并抗胰腺病（一种病*性疾病）的三文鱼品种。现在，他们正在试图解决第三个难题，阿米巴鳃病。在日本，类似的努力已经得到了抗病*淋巴囊肿的比目鱼，对“冷水”病（一种细菌性感染疾病）免疫的鳟鱼，以及对一类被称为单殖亚纲的寄生虫具有抗性的琥珀鱼。由此看来，改变鱼的内在特征对养鱼业的成功至关重要。不过，养殖方式也可助上一臂之力，比如优化鱼类饲料。与所有产品一样，成功的一个关键在于降低成本。在这一点上，环境和商业方面的考虑不谋而合。环保绿*们常常抱怨，养鱼业并不像它看起来那样有助于缓解海洋生态压力，因为它使用的许多鱼饲料是由鱼粉制成的。这只是简单地将鱼类养殖压力从人类直接食用的物种转移到那些被制成鱼粉的物种上。不过，鱼粉还是很贵的，因此研究人员正努力通过用植物提取物（比如大豆）作为蛋白来源替代物，以减少鱼粉的用量。在这一点上，他们获得了成功。据NOFIMA研究人员去年发表的文章显示，年挪威境内使用的三文鱼饲料有90%是鱼粉，而年这一比例降至30%。事实上，年欧洲议会发布的一份报告称，养鱼业的鱼粉消耗量在年达到顶峰。来自气体的饲料用植物喂养食肉鱼类（比如三文鱼）是一种同时降低成本又减少对环境危害的好方法。另外，还有一个乍一看似乎很另类的方法，就是从天然气中制造出鱼食。这是一家加州公司Calysta提出的商业构想。Calysta公司用气体——或者更确切地说，是以甲烷为主要成分的气体——饲喂一类被称为甲烷氧化菌的细菌。这些细菌代谢甲烷，从中提取出能量，利用由此释放出的自由原子，以及水中的氧和空气中的氮气，一起打造自身结构。Calysta公司随后将这些细菌个体转化为蛋白质颗粒，作为鱼饲料出售，整个过程对海洋或内陆都完全不会产生生态压力。
不过，即使是常规的鱼饲料，与农场动物的饲料相比，对环境产生的压力也是比较小的。因为鱼是冷血动物，它们不需要依靠食物来维持体温。因此，它们会将更多的食物转化成体重。对于环保人士以及那些担心未来不断增长的人口是否有足够食物供应的人来说，鱼类绝对是一个非常有吸引力的动物蛋白来源。然而，对于有腿家畜和有翅家禽肉类的需求也在增加。因此，新技术在畜牧业中也有应用。某些想象力丰富的研究人员甚至还试图在工厂中直接生产出肉类和其他动物产品，干脆将动物排除在外。动物饲养：家畜自有答案技术不仅能提高产量，还能改善动物福利。如果说农场的未来更像是个工厂，有些人可能会争辩说，家畜和家禽类（比如鸡和猪）的养殖已经探索出一条路了。不过，那些动物都是不快乐的先例。作物就没有类似的情感，因此对那些担心现代农场问题的人来说，并不会产生福利方面的顾虑。即使是鱼，只要它们健康成长，就很少会激起反对者的抗议。而禽鸟和哺乳动物的情况却完全不同。如何对待这些动物，人们有着严格的道德约束。并且，从某种程度上来说，动物个体要比作物或是鱼类个体的价值更高。因此，出于两方面因素的考虑，有必要对它们进行单独的监测。特别的是，为肉牛单独装配感应器已有数年的应用历史。这种位于瘤胃中的小装置可测量胃液酸度，并寻找可能存在的消化问题。它们现在与一些运动探测器联合使用，比如由英国一家小公司Smartbell研制的探测器。这类挂在牛脖子上的探测器可记录佩戴者的运动情况，并将信息传输到云端。动物是否保持常规活动水平是其是否处于健康状态的良好指征，因此系统会就任何异常预先提出警告。尤其是它甚至能在一个善于观察的农民发现有任何不对劲之前及时显示出其佩戴者何时会开始变跛——这是英国五分之一的肉牛在生命的某个阶段都会遭受的问题。如果能早一点发现，跛腿问题则很容易治好。如果检测到长时间的逗留，往往就意味着这只动物必须被处死。运动检测器也可以显示一头牛是否适合进行人工授精。当她开始发情，她的运动模式会发生变化，检测器因此将捕捉这类信息并向她的主人发出提醒。良好的育种对畜牧业来说至关重要，而分子标记辅助的基因组选择将确保用于此类人工授精精液继续繁殖越来越好的后代。尚不明确——也常常备受争议——的是：基因组编辑在这方面是否能够发挥作用。陆生动物的转基因相比鱼类更为停滞不前，这也是出于同样的原因：消费者持谨慎态度。不过，仍有人希望，这种戒备之心不会在那些DNA只有略微改动而不是从另一个物种中引入新基因的动物身上再现，尤其是当所进行的编辑将改善动物福利以及农民收益时。顺着这一思路，位于明尼苏达州圣保罗的一家公司Re