超過 8 億人的飲食並非圍繞小麥、玉米或大米展開。相反，在許多國家，主食是一種植物的澱粉根，這種植物有多種名稱，如木薯、樹薯粉、木薯或尤卡（不要與多汁植物絲蘭混淆）。的確，木薯對世界卡路里預算的貢獻超過除大米和小麥以外的任何其他食物，這使其成為對抗飢餓的幾乎不可替代的資源。在整個熱帶地區，家庭通常在小塊土地上種植木薯供自己食用，儘管在亞洲和拉丁美洲部分地區，這種植物也被商業化種植，用於動物飼料和澱粉基產品。然而，木薯根的營養價值很低：它幾乎不含蛋白質、維生素或其他營養素，如鐵。因此，更好的木薯品種可以有效地緩解發展中國家普遍存在的營養不良問題。
由於這種前景，我們兩人以及我們在巴西利亞大學和其他機構的同事致力於培育更耐寒、更高產和更營養的品種，並使發展中國家的農民能夠廣泛獲得這些品種。我們的團隊主要側重於應用傳統育種技術，在木薯及其野生近緣種之間形成雜交種，利用野生植物在數百萬年進化過程中形成的性狀。這種方法比基因工程成本更低，並且不會引起一些人對轉基因作物的安全擔憂。與此同時，發達國家的研究人員和非營利組織也開始對此產生興趣，並出於同樣的目的生產了轉基因木薯品種。最近完成的木薯基因組序列草圖可能為進一步改良開闢道路。
熱帶地區的最愛
灌木植物Manihot esculenta—木薯的學名—及其Manihot屬的野生近緣種起源於巴西。土著人民首先馴化了這種植物，葡萄牙水手在 16 世紀將其帶到非洲；從那裡，它的用途傳播到熱帶亞洲，遠至印度尼西亞。非洲現在生產了世界年產量超過 2 億噸的一半以上（51%）；亞洲和拉丁美洲分別收穫 34% 和 15%。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
木薯根類似於細長的紅薯，可以直接食用，生吃或煮熟，也可以加工成顆粒、糊狀物或麵粉。在非洲和亞洲的一些地區，人們也將葉子作為綠色蔬菜食用，葉子提供蛋白質——乾燥的木薯葉高達 32% 的蛋白質——以及維生素 A 和 B。
木薯在資本和勞動力方面的投資較低。它能很好地耐受乾旱和酸性或貧瘠的土壤；能迅速從病蟲害造成的損害中恢復；並且能有效地將太陽能轉化為碳水化合物。事實上，穀類作物的可食用部分充其量只佔植物總乾重的 35%，而木薯的可食用部分約為 80%。此外，木薯可以在一年中的任何時間種植，收穫可以延遲數月甚至一年。因此，農民經常在田地裡保留一些植物，作為應對意外食物短缺的一種保險。難怪這種作物已成為幾乎每個可以種植它的地區的自給農民的最愛，並且已成為當地傳統和美食不可或缺的一部分。
然而，這種作物也有缺點。它的保質期很短，如果未經加工，通常會在一天內變質。此外，特定區域內的木薯植物往往在基因上是統一的，這使得作物容易受到損害：一種損害一種植物的疾病或害蟲很可能會使所有植物都生病。但最重要的是，除了碳水化合物外，缺乏其他營養素使木薯成為一種過度依賴的風險食物。
雜交技術
我們中的一位（納賽爾）最初是在他的家鄉埃及作為一名年輕的農藝師時開始對改良木薯感興趣的。在 1970 年代初期——撒哈拉以南非洲地區普遍發生饑荒的時期——他訪問了巴西，研究這種植物的原始環境。然後他決定搬遷，最終成為巴西公民。1975 年，在巴西利亞大學，他獲得了加拿大國際開發研究中心的一小筆資助，開始收集活體Manihot野生種質資源，這些資源可以作為有用性狀的基因庫，新增到木薯中。他走遍全國，經常步行或騎腳踏車，收集標本並將它們帶回巴西利亞，他和他的合作者最終在那裡種植了 35 個不同的物種。
事實證明，這種生物多樣性資源對於大學和其他地方開發新品種至關重要。該團隊取得的首批成果之一是 1982 年培育出蛋白質含量更高的雜交品種。木薯根的蛋白質含量通常僅為 1.5%，而小麥的蛋白質含量為 7% 或更高。特別是，木薯根缺乏含硫必需氨基酸，如蛋氨酸、賴氨酸和半胱氨酸。新的雜交品種的蛋白質含量高達 5%。巴西政府目前正在尋求方法，透過在小麥中新增木薯粉來減少該國對外國小麥的依賴；使用蛋白質含量更高的木薯將有助於保持數百萬巴西人的日常蛋白質攝入量。
木薯與野生近緣種之間的雜交以及不同木薯品系之間的選擇性育種也可能有助於培育出含有其他重要營養素的品種。巴西利亞團隊已經表明，某些野生Manihot物種富含必需氨基酸、鐵、鋅和類胡蘿蔔素，如葉黃素、β-胡蘿蔔素和番茄紅素。特別是 β-胡蘿蔔素是維生素 A 的重要來源，缺乏維生素 A 會導致進行性眼損傷——這是非洲、亞洲和拉丁美洲熱帶地區一個嚴重而普遍的問題。鑑於木薯在熱帶地區作為主食的地位，高胡蘿蔔素品種可能為解決發展中國家維生素 A 缺乏症做出重大貢獻。在過去三年中，該團隊培育出了高產木薯品種，其 β-胡蘿蔔素含量是普通木薯的 50 倍，目前正在與當地農民一起測試這些品種。
另一個主要專案側重於改變植物的生殖週期。木薯透過授粉進行的普通繁殖方式產生的幼苗型別與母株不完全相同，並且產量通常較低。因此，農民通常種植現有植物的插條，而不是播種種子。然而，插條使病毒和細菌能夠汙染植物。一代又一代，微生物積累，最終可能會損害植物的產量。與許多其他開花植物一樣，某些野生Manihot物種，包括木薯的樹狀近緣種M. glaziovii，既進行有性繁殖又進行無性繁殖，並且無性繁殖產生的種子發芽成基本上是母株克隆體的植物。透過十多年專注於種間育種的努力，巴西利亞研究人員最近獲得了一種木薯品種，該品種可以像其野生近緣種一樣，透過產生兩種型別的種子來進行有性繁殖和無性繁殖。一旦進一步的工作完成，這個品種就可以分發給農民。
M. glaziovii還擁有其他有用的基因，可能有助於養活居住在乾旱土地上的數百萬人。M. glaziovii和木薯的雜交種通常表現出兩種型別的根。有些像木薯中的根一樣，會因澱粉而膨脹並且可以食用。第二種型別的根深入地下，可以利用更深層的水源。這些特性使雜交種成為半乾旱地區（如巴西東北部或撒哈拉以南非洲的一些熱帶稀樹草原地區）使用的最佳木薯品種之一。在巴西最乾旱地區之一的彼得羅利納，農民測試時，一些雜交種表現出耐旱性。該團隊目前正在改進這些雜交種，透過將它們與高產木薯品種回交，然後選擇可以更廣泛分發的高產後代，從而將高產和耐旱性結合起來。
另一種操作方法——歷史悠久的嫁接技術——提供了另一種提高木薯塊根產量的方法，正如印度尼西亞農民在 1950 年代首次發現的那樣。將M. glaziovii或M. pseudoglaziovii等物種（或兩者的雜交種）的莖稈嫁接到木薯砧木上，已使試驗田的根部產量提高了七倍之多。不幸的是，在許多國家，嫁接實踐受到這些雜交種供應不足的阻礙。
病蟲害保險
除了增強營養和產量外，選擇性育種和與野生種的雜交對於抵抗病蟲害的蔓延也至關重要。提高對木薯花葉病毒的抗性是木薯科學最重要的成就之一。在 1920 年代，花葉病毒在東非坦噶尼喀地區（現在的坦尚尼亞）的蔓延引發了饑荒。兩位在坦尚尼亞工作的英國科學家將木薯與M. glaziovii雜交，經過大約七年的努力，挽救了這種作物。在 1970 年代，花葉病捲土重來，威脅到奈及利亞和扎伊爾（現在的剛果民主共和國）的地區。奈及利亞國際熱帶農業研究所 (IITA) 的研究人員使用了M. glaziovii及其雜交種（源自巴西利亞大學的種質資源），再次培育出抗花葉病的木薯。這種新培育的品種催生了一個抗花葉病毒品種家族，目前在撒哈拉以南非洲的 400 多萬公頃土地上種植；在隨後的幾十年裡，奈及利亞已成為世界最大的木薯生產國。儘管如此，病毒經常發生基因突變，並且有一天新的花葉病株系可能會突破培育到木薯品種中的抗性。因此，搶先育種對於始終領先於疾病是必要的。
木薯粉蚧（Phenacoccus manihoti）是困擾撒哈拉以南非洲地區這種作物最毒的害蟲之一。這種昆蟲透過吸食植物的汁液來殺死植物，在 1970 年代和 1980 年代初期尤其具有破壞性；它摧毀了種植園和苗圃，以至於生產實際上陷入停頓。在 1970 年代末，國際熱帶農業研究所和非洲其他地方以及南美的研究合作伙伴從南美洲引入了一種捕食性黃蜂，這種黃蜂在粉蚧中產卵，以便黃蜂幼蟲最終從內部吞噬粉蚧。由於這項努力，在 1980 年代的大部分時間和 1990 年代，木薯粉蚧在非洲大部分木薯產區都得到了控制。在扎伊爾的少數小區域，該系統運作不佳，原因是寄生黃蜂自身的天敵數量增加。在上個十年的中期，巴西利亞團隊在野生Manihot物種中尋找解決此問題的可靠方案，並在M. glaziovii中再次發現了抗粉蚧性狀。抗粉蚧品種現在由巴西利亞周邊地區的小農種植，如果粉蚧瘟疫捲土重來，可以出口到其他國家。
展望未來，我們預計新的有價值的性狀可能來自培育嵌合體。嵌合體是具有兩種或多種在其中生長的基因不同組織的生物體。嵌合體主要有兩種型別。在扇形嵌合體中，在植物器官中可以看到兩種不同的縱向組織扇形區，但它們的生長不穩定，因為其中一種組織比另一種組織生長得更快，並可能很快佔據整個芽。在第二種型別的嵌合體中，稱為周緣嵌合體，芽的外部部分包圍內部部分，並且可能比扇形嵌合體更穩定。巴西利亞正在進行試驗，以開發一種嫁接方法，該方法將使用M. glaziovii的組織生產穩定的周緣嵌合體。這種方法可能導致每次種植嵌合體莖稈時，根部都會持續增大。到目前為止，嵌合體已顯示出令人鼓舞的生產力，並且似乎特別適合半乾旱地區。
木薯應該是農業科學的高度優先事項，但傳統上並非如此。只有少數研究實驗室研究過這種植物，這可能是因為它種植在熱帶地區，遠離發達世界大多數科學家工作的地方。這種研究投資的匱乏意味著南美洲和中美洲以及非洲的平均年產量不超過每公頃 14 噸，即使田間研究表明，透過一些改進，木薯的產量可以增加四倍，並養活更多的人——無論是在已經種植的地區還是在其他地方。
然而，發達世界開始出現一些興趣。聖路易斯的唐納德·丹佛斯植物科學中心的研究人員正在領導一個專案，將來自其他植物物種或細菌的基因插入木薯，以提高其營養價值並延長其保質期。
木薯基因組的測序（目前已釋出第一個草圖）可能會促進轉基因木薯的開發。它還將透過標記輔助育種技術幫助常規育種計劃，該技術依賴於從基因分析中收集的資訊來指導所需性狀的育種。建立一個全球網路來協調所有從事木薯研究的機構的努力，將確保這種作物的潛力不會被浪費。