現代超市的農產品區充滿了視覺上的錯覺。草莓看起來飽滿而晶瑩剔透；番茄表皮光滑而富有光澤；甜瓜結實且色彩鮮豔——但往往都缺乏風味。這些平淡無奇的美麗果蔬，我們只能怪自己。為了選擇性地培育產量儘可能高，且能在黑暗、涼爽的環境中經受數週運輸和儲存的作物，我們從食物中剝奪了風味、香氣和營養。
想想哈密瓜給植物育種者帶來的困境。為了享受哈密瓜的全部風味，你必須在它達到最佳成熟度、變軟之前採摘並食用。在哈密瓜發育的後期，激素乙烯的爆發會導致果實迅速成熟和變軟。這種快速的成熟使得哈密瓜跨州甚至跨國運輸成為難題：即使在冰上，甜瓜在到達目的地時也會變成糊狀。因此，植物育種者透過雜交授粉，只選擇那些天然產生最低水平激素的甜瓜，來降低用於長途運輸的哈密瓜中乙烯的水平。如果沒有強烈的乙烯爆發，甜瓜在從田地到農產品區的運輸過程中會保持堅硬，但產生成熟甜瓜香氣和味道的化學反應永遠不會發生。
育種者在克服這種困境方面取得了一些成功。在20世紀90年代，荷蘭德魯伊特種子集團的植物育種者多米尼克·尚貝隆成功培育出一種條紋小哈密瓜，這種哈密瓜在收穫後數週內既能保持硬度又能保持風味。這種名為梅洛朗日的品種在中美洲種植，並在12月至4月期間（當地太冷無法種植哈密瓜時）運往美國的山姆會員店和其他精選連鎖店。今年三月，我品嚐了一片這種哈密瓜：它的質地緊實，風味和香氣濃郁，甚至帶有一絲辛辣。不幸的是，像梅洛朗日這樣的傳統育種方式很大程度上依賴於偶然性。完美培育出一個始終令人印象深刻的新品種可能需要十年以上的時間。育種者必須一遍又一遍地進行異花授粉，希望一些後代能夠繼承正確的特徵。而且他們通常必須等待植物生長並結出成熟的果實才能知道結果。他們收穫的大部分成果都遠未達到目標，完全無法使用。
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遺傳學最近提供了一條替代途徑。在2008年收購了德魯伊特的孟山都公司，傑夫·米爾斯和他的同事們能夠在哈密瓜植物的種子還未播種到地裡之前，就預測出其最終果實的品質。首先，米爾斯和他的團隊確定了梅洛朗日獨特風味和硬度組合背後的甜瓜基因。他們可以在一組合作且基本上自主的機器人的幫助下，在哈密瓜種子中尋找這些遺傳“標記”。
去年11月，當我參觀孟山都在加利福尼亞州伍德蘭的蔬菜研究和開發總部時，我親眼目睹了許多這些機器的運作。一臺種子切片機削下一小片種子用於DNA分析，留下其餘完整的核心，適合在溫室或田地中播種。另一臺機器人從那小塊種子中提取DNA，並新增必要的分子和酶，將熒光標籤化學粘附到相關的基因上（如果它們存在的話）。還有一臺機器擴增這些發光標籤的數量，以測量它們發出的光，並確定基因是否存在。
這種被稱為標記輔助育種的技術並非全新，但由於基因測序變得如此快速和廉價，它在過去10年中實現了前所未有的農產品完美主義壯舉。孟山都的種子切片機可以每天24小時執行，整個系統可以在兩週內向育種者提供結果。在過去的10年中，私營公司和大學的育種者都成功培育出了大量更美味、更colorful、形狀更好、營養更豐富的蔬菜和水果，其中一些已經在雜貨店和農貿市場有售。除了越來越誘人的甜瓜外，這些豐收的成果還包括營養比以往更豐富的西蘭花、真正多汁的草莓，以及既賞心悅目又美味可口的番茄。
“基因組學對植物育種的影響幾乎超出了我的理解，”謝莉·詹斯基說道，她是一位為美國農業部和威斯康星大學麥迪遜分校工作的馬鈴薯育種者。“五年前，我這裡有一個研究生花了三年時間試圖鑑定與抗病性相關的DNA序列。在實驗室裡工作了數百小時後，他最終得到了18個遺傳標記。現在我的研究生可以在幾周內獲得每株200株植物的8000個標記。”
所有關於DNA分析的討論聽起來都非常像基因工程——創造轉基因生物（GMOs）的基因編輯技術。但事實並非如此。這是一項完全非轉基因的技術。事實上，這也是它如此吸引研究人員和孟山都等種子公司的主要原因之一。
播種變革
至少在9000年前，人們就開始改變植物以適應自己的用途。我們吃的幾乎每一種水果和蔬菜都是馴化物種，我們透過數十年的定向選擇和育種對其進行了改造：只保留具有最理想特性的植物的種子，並有意地將一種植物與另一種植物雜交，以創造新的性狀組合。透過這種方式，我們的祖先將一種名為類蜀黍的瘦弱草變成高大、穗軸飽滿的玉米，並將一種野生甘藍塑造成西蘭花、抱子甘藍、花椰菜和羽衣甘藍。
到20世紀80年代，科學家們設計出了一種更精確的改變植物DNA的方法：基因工程，它涉及到使用實驗室工具新增、移除或以其他方式直接改變植物中的基因。轉基因生物於20世紀90年代首次在美國市場上出現。儘管美國超過70%的加工食品都含有由轉基因玉米、大豆和卡諾拉油菜製成的成分，但在超市銷售的鮮蔬菜和水果中，轉基因的卻很少。例外情況包括抗病毒木瓜、李子和南瓜，以及抗蟲甜玉米。
鮮水果和蔬菜轉基因品種如此之少的一個原因是，總的來說，它們遠不如美國最大的作物（玉米、大豆、乾草、小麥、棉花、高粱和水稻）利潤豐厚和種植廣泛。對於水果、蔬菜和其他所謂的特種作物，種子公司沒有那麼大的動力去處理批准轉基因生物上市銷售所需的繁瑣且昂貴的安全測試和聯邦監管程式。
轉基因水果和蔬菜的另一個重大障礙是公眾的反對。大學和種子公司知道，今天在農產品區引入新的轉基因生物可能會在美國人口中對他們認為是“弗蘭肯食品”的那部分人中引發強烈抗議。大多數購物者仍然沒有注意到商店裡已經存在的少量轉基因水果和蔬菜，因為它們通常沒有被標記為轉基因食品。
在過去的十年中，標記輔助育種已成為一種越來越可行的改善水果和蔬菜的方法，同時規避了這種爭議，尤其是在基因技術不斷進步，科學家不斷對越來越多的農作物植物的基因組進行測序的情況下。特別是，傳統育種和DNA分析的結合正在幫助育種者將注意力轉向對消費者重要的食物品質。“詢問消費者想要什麼聽起來非常明顯，但事實並非如此，”佛羅里達大學的番茄育種者哈里·克萊說道。相反，他說，你幾乎總是看到育種者優先考慮農民或食品分銷商的需求。
經典超市番茄就是一個完美的例子。幾十年來，專家們一直認為番茄中酸和糖的平衡是決定我們是否喜歡其味道的主要因素。一般來說，人們喜歡偏甜的番茄。但大多數育種者主要關心的不是風味。考慮到大型商業種植者的需求，育種者反而偏愛生產大量光滑、耐儲存的番茄植株，這些番茄在通常漫長的運輸到雜貨店的旅程中仍能保持飽滿。然而，植物產生的番茄越多，它能給每個番茄提供的糖分就越少。典型的超市番茄可能看起來很漂亮，但它們沒有足夠的糖分來滿足我們的味蕾。
克萊決心將工業番茄從目前味覺上的低迷狀態中拯救出來。透過一系列大型品嚐測試，他評估了近200個傳家寶番茄品種——這些品種是小農戶和園丁儲存下來的較老品種，並在一些雜貨店和農貿市場出售。傳家寶番茄以其鮮豔的色彩和奇妙的風味而聞名，但它們的表皮容易開裂和結疤，它們很快就會變軟，而且它們來自的植物產量不足以滿足大型商業農民的需求。
在他的研究中，克萊瞭解到，許多傳家寶番茄比標準番茄更美味，不是因為它們含有更多的糖，而是因為它們充滿了更復雜的風味成分：被稱為揮發性有機化合物的刺激性化學物質，這些物質從植物中揮發出來，進入我們的鼻孔（想想：剛割過的草或誘人的柑橘香味）。在2012年的一項研究中，克萊和他的同事發現，如果番茄含有足夠多的名為香葉醛的芳香化合物，人們實際上會喜歡含糖量適中的番茄。克萊懷疑，香葉醛和其他揮發物不僅賦予番茄香味，還放大了水果的天然甜味。在後續研究中，他培育出了缺乏香葉醛和其他芳香分子的番茄。人們不喜歡它們。如果番茄的含糖量處於平均水平或較高水平，但沒有揮發物，志願者就不會覺得它甜。
最近，克萊一直在嘗試培育雜交植物，讓種植者和消費者都能獲得新舊番茄世界的最佳品質。在過去的三年裡，他和他的同事們將他們能找到的最美味的傳家寶番茄與現代傳統番茄雜交，培育出產量高、表皮光滑堅硬、味道鮮美的雜交品種。克萊經常儲備廉價的電動牙刷，他和他的團隊用這些牙刷輕輕但徹底地搖晃番茄花，收集掉落在試管中的花粉，以便他們可以充當媒人。與此同時，育種者一直在使用打孔器收集葉片碎片並分析植物的DNA，尋找與高水平揮發物或完美表皮相對應的遺傳模式。“基因分析絕對為雜交決策提供了資訊，”克萊說道。“隨著番茄基因組序列的出現，我們的工作在過去幾年裡確實加快了速度。”
佛羅里達大學最近釋出了兩個這樣的雜交品種——花園寶石和花園珍寶——它希望授權給一家種子公司進行大規模分銷。雖然這些雜交品種的產量不如商業番茄，但它們的產量是其傳家寶親本的三倍多，它們具有極佳的風味，並且可以經受相當程度的運輸。克萊的同事萬斯·惠特克正在一個相關的專案中取得良好進展，該專案旨在增強超市草莓的刺激性，這些草莓也在以犧牲口味為代價的情況下獲得了尺寸和耐用性。
與哈密瓜和番茄一樣，西蘭花的另一個值得注意的受害者是運輸困難。美國收穫的西蘭花約有75%產於加利福尼亞州。西蘭花喜歡涼爽的天氣，並在薩利納斯山谷偶爾的霧氣中茁壯成長。當被迫忍受東北部炎熱潮溼的夏季時，這種蔬菜會產生帶有大小不一花蕾的粗糙花球。構成西蘭花樹狀頂端的每個小花蕾都是尚未開放的花朵。康奈爾大學的托馬斯·比約克曼和他的同事最近發現，在西蘭花發育的關鍵時期，它會追蹤它享受了多少小時的低溫，並且只有在總數足夠高時才會產生均勻的花球。這就是為什麼在東海岸種植的西蘭花最終可能會出現不吸引人的混合物，既有漂亮、飽滿的花蕾，也有微小、幾乎難以察覺的花蕾。
三年半前，比約克曼、美國農業部的馬克·法納姆和他們的許多合作者決定培育一種新型西蘭花，這種西蘭花將在該國東部地區茁壯成長。在他們實驗室的生長箱中，比約克曼和他的團隊一直在讓西蘭花經受東海岸的熱度和溼度水平，只保留那些在這些條件下生長出最具吸引力花球的植物的種子。雖然他們還有很多工作要做，但他們已經培育出了比目前在東部種植的品種更能應對夏季高溫的西蘭花。與此同時，研究人員正在搜尋他們種植的各種植物的基因組，尋找能夠解釋為什麼有些西蘭花比其他西蘭花表現更好的基因。找到它們可以縮短他們實現理想植物的旅程數年。
培育在炎熱天氣下也能保持美麗的西蘭花不僅僅是一項美學練習——它還關係到將更美味、更有營養的西蘭花送到農貿市場和雜貨店。比約克曼說，當天收穫當天食用的新鮮西蘭花與典型的超市西蘭花不同——它嫩滑，帶有醇厚的植物風味、一絲金銀花味，且沒有辛辣的後味。將西蘭花從加利福尼亞州運到該國其他地區需要將蔬菜在冰上黑暗中儲存數天。在沒有光照的情況下，光合作用停止，這意味著細胞停止製造糖分。溫度的快速下降會破壞細胞壁，不可逆轉地削弱植物的結構並降低其硬度。當西蘭花解凍時，各種酶和分子從細胞中逸出，相互碰撞並引發一系列化學反應，其中一些反應會降解營養和風味化合物。讓東部的農民種植和在當地銷售西蘭花可以解決所有這些問題。
為了提高西蘭花的營養價值，英國食品研究所的理查德·米森和他的同事們在另一項努力中，使用了標記輔助育種來提高蘿蔔硫素的水平，一些證據表明這種化合物可能有助於對抗細菌和癌症。他們後來將由此產生的西蘭花（名為Beneforté）授權給了孟山都；您可以在一些全食超市和Stater Bros.商店找到這種小花球。
播種創新
為了獲得啟動他們倡議的撥款，比約克曼和法納姆必須透過獲得私營部門的資助，向美國農業部保證種子公司對西蘭花潛在的新區域市場真正感興趣。孟山都、先正達和貝喬種子公司都在貢獻資金，即使它們是競爭對手。從理論上講，種子公司和大學研究人員都可以從這種合作中受益。在研發階段，他們都共享資訊並交換種子。然而，最終到了談判的時候。正如克萊和他美味的番茄的情況一樣，比約克曼希望一旦他和他的同事們更接近他們美麗的西蘭花，一傢俬營公司將授權這些種子併為商業種植者大規模生產。比約克曼和他的團隊沒有資本自己這樣做。在單個植物中尋找遺傳標記可能越來越便宜，但產生大量種子並將其銷售給農民仍然成本高昂。
一些植物育種者擔心，由於大型種子公司比小型公司和大學擁有更多的資金和技術資源，真正的創新將會枯萎。“隨著技術轉移到私營部門，公共部門的育種計劃已經大幅減少，”威斯康星大學麥迪遜分校的歐文·戈德曼說道，他最近推出了帶有同心金條紋的火焰橙色食用甜菜。“有些人認為這種轉移對這個國家來說是成功的，但公共育種將做私營部門不會做的事情——那些耗時太長或風險太高的事情。”
傑克·朱維克是伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校植物育種中心的主任，他於20世紀70年代首次涉足育種領域，他記得當時的大公司遠沒有今天這麼占主導地位。“當我剛開始工作時，有很多小公司銷售大量種子，但它們基本上都被大型公司收購或擠出了市場。這改變了整個行業的格局，”朱維克說道。“我們公共機構的人不再開發成品種，而是為大型公司設計種質[種子和品種]供其使用。這些大型公司有資源進行一些良好的測試，並培育出一些真正優秀的品種，但它們最終控制了用於製造它們的大部分種質和技術。”
戈德曼和他在威斯康星大學麥迪遜分校的同事傑克·克洛彭堡屬於一個由來自全國各地的20位育種者和農民組成的團體，他們有興趣為種子建立相當於開源軟體的東西——任何人都可以使用的非專利品種。在21世紀的商業種子領域，這種安排尚無先例。一個可能昂貴的選擇是，植物育種者聘請律師並獲得種子的標準專利或版權，目的是讓幾乎任何人都可以使用它們（當然，大型私營公司除外）。或者，他們可以嘗試建立一種開源許可證，允許人們僅在也同意自由分享種子及其衍生品的情況下使用種子。戈德曼還提出了一種折衷方案，育種者將一些種子授權給私營部門以獲取利潤，但將另一些種子免費贈送。
克萊想知道，某種程度的調和是否是最佳前進方向。“現實情況是，我們在學術界無法與孟山都或其他大型種子公司競爭，”他說。“大學的育種者被擠出大宗作物市場，進入小眾作物市場。在我的部門，我們有一位桃子育種者、一位藍莓育種者和一位草莓育種者。我認識許多在孟山都工作的人，他們已經放棄了這些對他們來說是邊緣作物的作物。”他希望這種二分法可以是互補的，公共和私營部門在不同的專業領域相互依賴。
最終，克萊最關心的是與越來越多的植物育種者相同的願景：彌合種植者賴以謀生和消費者想要擺在餐盤上的東西之間的鴻溝。“標記輔助育種使得有可能回去修復風味和質地等問題，”克萊說道。“歸根結底，這真的非常簡單：讓我們給人們他們喜歡的東西。”