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城市农业可能有助于养活全世界

Lucía Atehortúa表示,在传统粮食生产遭受气候变化威胁的情况下,我们应当将农业转变为细胞培养。

如果气候变化开始限制全球粮食与能源作物的产量,将必须开发一种新的粮食生产体系。

想象一下在小空间中的一种农业,它使用光-生物反应器等高技术工具,全天候地生产干净的产品,而不受外部气候因素的影响。想象一下这将会免受病原体的影响,不需要农业化学品,不依赖于季节,而且有可能在不与环境相互作用或不影响现有生物多样性的情况下种植转基因作物。

这就是“城市生物农业”,一种主要为大城市开发的一种高技术农业。

在全球气候灾难的前景出现之前,粮食生产和粮食保障就面临着城市化与人口增长的威胁。考虑到这些问题,我们这些哥伦比亚Antioquia大学的科研人员正在对分化细胞组织培养进行一系列的研究,从而用于未来的粮食和能源产品的栽培。

迄今为止,我们的研究把重点放在了利用细胞培养生产可可、巴巴多斯麻风树坚果的油以及橙汁。其他正在研究的植物包括甘蔗、玉米、小麦和大麦。这些努力可能成为证明城市生物农业可行性的一个里程碑。

遗传修饰的局限性

可能失败的传统农业的一个解决方案是遗传修饰,它可能让农作物更耐受极端环境,诸如干旱或洪水。

然而,指望对每一种粮食都进行遗传修饰是不现实的。这需要巨大的财政资源、大量的科学研究,以及需要漫长的时间,让这些作物通过全部必须的生物安全规定从而可以直接接触自然环境而在大田环境下种植。这些农作物还需要具有良好的适应性,并且具有足够高的产量从而养活整个世界。

遗传修饰生物面临着另一个障碍:它们是大量社会担忧的关注焦点。我们实在应该向别处寻找答案。

替代方案可能是植物生物技术——特别是对特定农作物或水果的可食用部分的体外细胞和组织培养。然而,目前几乎没有关于这类研究的科学文献。

细胞培养也可以合成新的天然产品,从而有可能建立“生物工厂”把低价值的农作物转化成高价值的产品并且生产通常在天然环境下不会生产出来的新的化合物。你可以生产在今天的市场上不存在的新产品——例如,把可可细胞与杏仁细胞混合起来,制造出可可-杏仁味的产品。你还可以用前体化合物让细胞通过生物转化的方式制造其他新的化合物。

商业产品

细胞培养的使用已经对生理学和生物化学的研究产生了重要影响,特别是对于细胞代谢的研究以及确定植物激素等物质对细胞应答的作用的研究。

在遗传学中,克隆技术利用原生质(去除细胞壁的植物细胞)融合与遗传转化改进了细胞培养。现代生物技术已经取得了很大的进展,现在不仅有可能培养自由细胞,还能让细胞在隔离的培养环境中分裂,并使用这种细胞生长整株植物。

此外,悬浮在液体中的体外细胞培养为大量商业生产称为初级和次级代谢产物的植物产品提供了一个系统。

如果这些生产系统稳定而且定价有竞争力,就有可能扩大它们的规模供商业和工业使用。

这种农作物生产方式可能有助于保存生物多样性,因为不需要更多的土地或毁掉更多的森林用于农业,用水也较少,而且能避免用尽主要的土地。它可以在地球的任何地方运作,甚至可以在太空中。

细胞和组织培养具有基础研究和开发工业产品(如香味、染料、树胶和树脂)的应用研究的潜力,特别是对于具有相当大的植物生物多样性的哥伦比亚等国家。但是它们很少在这些国家实施——大部分研究是在生物多样性很少的发达国家进行的。

生物多样性在这种情况下很重要,因为细胞培养的目标是复制原始的亲本物质,因此这需要足够高的质量。任何用于组织培养的植物部分也必须是同样高质量的。

对成本的担心

该领域的大部分现有研究把重点放在了次级代谢产物的生产上,这部分是由于传统的农业系统被广泛认为对于食品生产在经济上更可行、更有保障。但是气候变化可能让平衡朝着细胞培养倾斜。

细胞培养的高成本在很大程度上是由于它所需的技术工具,因此目前发展中国家用这种方式生产它们的粮食确实是不可行的。但是正如技术通常发生的情况,一旦技术变得流行而且得到广泛使用,竞争很快就驱动着价格下降。

尽管似乎从未对这整个过程——从利用细胞培养的基本产品到实验性的工业规模生产,以及每个阶段的成本评估——进行彻底的成本分析

用这种方式对细胞培养技术进行适当的估价之后,就可以把它们与在自然条件下进行的同种作物的传统农业生产进行比较,而且还能比较环境收益。

在20到30年里,这种新的生产系统可能帮助养活全世界,并让我们有机会在一个环境大灾难的事件中生存下来。

但是为了能够实现这种情况,必须在全世界尽快实施它,从而让我们为未来的情况作好准备。

Lucía Atehortúa是哥伦比亚大学精密与自然科学系生物研究所的生物技术讲师。