埃裡克·雷從他的公文包裡拿出一個裝了半塑膠容器的熟米飯。這些飽滿的棕色米粒看起來像普通的米飯。聞起來也像普通的米飯。當我小心翼翼地拿起幾粒米飯放到嘴邊時，它們嚐起來也像普通的米飯：軟糯、有嚼勁，有點清淡。我得阻止自己去拿放在西雅圖Arcadia Biosciences辦公室廚房裡的醬油瓶——雷是這家生物技術公司的執行長——來加點鹽。
我想加點味道的願望有點奇怪，因為這種水稻是在鹽水中生長的，這種鹽水會殺死地球上大多數植物。這些水稻植株經過基因工程改造，可以適應這種化學物質，模仿一種叫做鹽生植物的特殊植物，這種植物在海灣、海灣入口和沼澤海岸線繁茂生長。我驚訝的是，嘴裡的米粒沒有讓我的舌頭捲曲。我嘗試了一個盲品測試，將它們與在淡水中生長的未改良水稻進行比較，我無法分辨出區別。
雷說：“按2012年的產量計算，水稻是世界上最有價值的作物，但“在中國的一些地區，鹽鹼度越來越高，他們基本上無法再種植作物了。”雷認為，對幫助鹽生植物應對大量鹽分的基因的新認識，加上將這些基因插入水稻和其他植物的現代生物技術方法，可能為養活地球上不斷增長的人口提供關鍵。
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全球近四分之一的灌溉區遭受不良灌溉措施造成的土壤鹽鹼化之苦。海平面上升也威脅著數千萬公頃的農田遭受海水入侵。如果健康的作物能夠在如此鹽鹼化的地區生長，它們可能會為數千萬人提供食物，這是朝著支援本世紀中葉地球上預計增加的20億人口邁出的重要一步。
加州大學戴維斯分校的植物生物學家愛德華多·布盧姆瓦爾德說，這絕非痴人說夢，他的工作構成了Arcadia水稻的基礎。“我相信現在可以在低質量、微咸和再生水中種植作物，甚至是稀釋的海水，”他說。在西雅圖以南約 700 英里的地方，布盧姆瓦爾德在加州大學戴維斯分校的溫室裡擠滿了高大的翠綠色水稻植株，它們從淺淺的鹽水中向上生長。他和世界各地的其他一些科學家正在將天然耐鹽鹽生植物的基因轉移到日常作物中——不僅是水稻，還有小麥、大麥和西紅柿。（棉花也在研究中。）
然而，要使這些救命的種子生根發芽，它們將不得不走出溫室，證明它們能夠在現實世界的風暴、乾旱和掠食性昆蟲中茁壯成長。它們還需要經受住來自政治家、科學家和農民的安全和監管問題的考驗。
即使植物本身很美味，基因工程改造也會在人們的口中留下 неприятный 味道。他們擔心這些基因可能會轉移到其他生物體中，產生不可預見的後果。批評人士說，此類專案使世界上一些最貧困和最脆弱的人群面臨這些不確定性。此外，環境顧問珍妮特·科特指出，創造可以在鹽鹼條件下生長的食物只會鼓勵更多不良的灌溉措施。“如果你有糟糕的灌溉，那麼你就走上了一條不可持續的道路，”她說。
鹹味故事
鹽生植物，顧名思義“鹽植物”，可以在鹽度範圍從濃稠的血腥瑪麗到完全海水的水中生存。紅樹林是鹽生植物。這種植物型別相對稀有，往往看起來（和嚐起來）令人倒胃口，具有多節的突起、稀少或醜陋的葉子或突出的根。
早期推廣鹽生植物的嘗試試圖透過吹捧紅樹林作為建築材料、富含油脂的多汁鹽生植物用於生物燃料或耐鹽灌木用於動物飼料來刺激市場。1998 年，研究人員在《大眾科學》上發表了一篇文章，設想在世界各地建立大規模的鹽生植物農場來養活人們。但在他們提供的利基作物沒有任何發達市場的情況下，這些農場註定要失敗。
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插圖：Cherie Sinnen
當布盧姆瓦爾德在 20 世紀 90 年代中期開始研究鹽生植物時，它們在很大程度上已被視為植物學上的珍品。“大多數農業科學家從未考慮過鹽鹼度，”他說。“他們當時的想法是讓食物更大、更圓、顏色更鮮豔、更甜。”
然而，布盧姆瓦爾德對這些植物中發現的一種叫做反向轉運蛋白的蛋白質產生了興趣。它加速了鈉（鹽）和氫離子在植物細胞膜上的交換。當水中的鈉被植物吸收時，它會破壞酶、植物周圍的水分運輸，並最終破壞光合作用本身。布盧姆瓦爾德發現，透過對日常物種進行基因工程改造以產生大量的這種反向轉運蛋白，他能夠培育出可以在鹽度為海水三分之一的水中生長的植物，且幾乎沒有不良影響。反向轉運蛋白將鈉離子推入液泡，即細胞內密封的空間，在那裡它們不會造成傷害。在一些天然鹽生植物中，這些液泡變得非常大，被稱為鹽泡。藜麥是一種已經出現在餐桌上的鹽生植物，它的葉子上長著看起來像微小半透明球體的鹽泡。
當布盧姆瓦爾德提高了某些英國傳家寶番茄的反向轉運蛋白水平時，這些植物在“比雞湯鹹四倍”的水中生長。 而且它們產出了紅色、圓形、甜美、多汁的水果，每個重達幾盎司。但是，雖然布盧姆瓦爾德的創造物在實驗室中茁壯成長，但它們在現實世界中卻步履蹣跚。“一切都在溫室中奏效，在那裡你有 40% 或更高的相對溼度，”布盧姆瓦爾德說。然而，隨著溼度的降低，植物會從葉片中失去更多的水分，並防禦性地關閉氣孔。因此，他指出，“當你去田野時，溼度為 5%，而且水分少得多”，種植植物要困難得多。
問題在於，脫鹽能力並不是在鹽鹼土壤中良好生長的唯一要求。植物擁有數千個基因，這些基因參與許多生物過程，可以幫助生物體應對多種壓力，例如高溫、乾旱或鹽鹼度。要在鹽鹼條件下生長，植物需要擁有多個基因，這些基因會改變其活性，以在生長條件變得具有挑戰性時保護植物。以色列內蓋夫本古裡安大學植物科學高階講師西蒙·巴拉克說，沒有單一的靈丹妙藥，“但我們開發了一種計算方法來篩選這些基因，看看哪些基因最有可能參與脅迫耐受性。”
巴拉克構建了一個脅迫基因資料庫，收集了已發表的關於植物擬南芥（農業研究人員常用來研究植物過程）的實驗資料。透過使用統計分析，他能夠對每種基因在高溫等條件下植物生存的重要性進行排序，他確定了許多有希望的候選基因。
然後，巴拉克的小組對具有這些基因突變版本的植物進行了實驗室測試，以觀察植被如何應對惡劣條件。表現出耐旱、耐鹽或耐熱性的突變體隨後被確定為進一步研究的目標。“在經典的新突變體遺傳篩選中，你將篩選數千株植物，其中可能只有 1% 到 3% 看起來很有趣，”巴拉克說。“我們的命中率達到了 62%。我們有足夠的突變體來維持我們整個科學生命週期。”
其他研究人員也透過將生物學與統計學和計算機科學相結合，專注於鹽生存。例如，幾年前，遺傳學家納倫德拉·辛格·亞達夫在印度古吉拉特邦的中央鹽和海洋化學研究所工作時，在另一種鹽生植物鹽角草中發現了一些與耐鹽性相關的基因。他並不確切知道這些基因的作用是什麼，只知道他的分析表明它們發揮了重要作用。為了驗證他的理論，亞達夫將其中兩個基因插入了菸草中，菸草通常很容易受到鹽的侵害。當在鹽度約為海水三分之一的水中生長時，轉基因植物的發芽更好，根和莖更長，並且比未改良的植物更大更茂盛。儘管它們沒有發育出可見的鹽泡，但植物體內有害分子（稱為活性氧）的水平較低，這些分子會在鹽脅迫下積累。亞達夫現在與巴拉克一起在以色列工作，他以前的研究小組正在古吉拉特邦研究耐鹽棉花。“我認為還有很多基因有待發現，”他說。
布盧姆瓦爾德說，重要的是“要聰明，而不是愚蠢地樂觀”。他在加州大學戴維斯分校的小組有十幾個溫室正在對數千種不同的轉基因植物進行實驗，從苜蓿和珍珠粟到花生和水稻。大多數是對成功的商業作物的改良，每個實驗都試圖複製自然的脅迫條件。大型風扇模擬不穩定的風，水以不規則的間隔或像暴風雨一樣的脈衝輸送，並施加鹽和熱。“我厭倦了把我們的植物帶到田野裡，看著它們死去，”他說。“讓作物在海水中生長可行嗎？我不這麼認為。它們可能會生長，但它們的營養價值將非常小。但在稀釋的海水或再生水中？肯定可以。”
自然的擔憂
然而，基因改造 (GM) 在世界許多地方仍然存在爭議。科特說：“我們永遠無法完全確定植物中可能還會受到哪些影響，以及這是否對食品或環境安全有任何影響。”她更喜歡一種稱為標記輔助選擇的育種系統，該系統使用基因組工具來識別野生作物植物中的耐鹽基因，然後將這些植物與馴化植物自然雜交，將該基因重新引入農場種植的植物中。
蒂莫西·羅素是孟加拉國國際水稻研究所的農藝師，他也持懷疑態度。“在我看來，轉基因並沒有什麼大問題，但傳統育種品種更容易推向市場，”他說。“我們認為我們可以使用傳統技術獲得相當不錯的耐鹽性。當沒有真正必要時，為什麼要走更復雜的方式呢？”
倡導者說，使用轉基因的一個充分理由是它更快。育種、選擇和再育種需要時間。耐鹽轉基因作物很可能在未來四年內擊敗傳統育種植物上市。我品嚐過的來自Arcadia Biosciences的耐鹽水稻已經完成在印度的最後田間試驗的一半，並正在那裡進行監管審批。該植物在鹽度為海水十分之一的水中，產量比今天的水稻高出 40%，雷預計後續品種的耐受性將再次提高一倍。“對於農民來說，更好的產量意味著他們賺錢，我們賺錢，我們減少了淡水資源的負擔，”他說。
布盧姆瓦爾德認為這是一個小小的開始：“這是朝著正確方向邁出的一步。未來要養活數十億人口，需要的不僅僅是這樣一個成功，而是數十個或數百個。”