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；西紅柿光滑而富有光澤；甜瓜結實且色彩鮮豔——但往往都缺乏風味。對於這些平淡無奇的美麗，我們只能責怪自己。透過有選擇地培育產量儘可能高，並且能夠在黑暗、涼爽的條件下經受數週運輸和儲存的作物，我們從食物中榨乾了風味、香氣和營養。
想想哈密瓜給植物育種者帶來的困境。要享受哈密瓜的全部風味，您必須在哈密瓜達到最佳成熟度時，並在它變得太軟之前採摘和食用。在哈密瓜發育的後期階段，激素乙烯的爆發會導致果實迅速成熟和軟化。這種快速的成熟使得跨州或跨國運輸哈密瓜變得困難：即使在冰上，甜瓜在航行結束時也會變成糊狀。因此，植物育種者透過雜交授粉僅自然產生最低量激素的甜瓜，從而降低了用於長途運輸的哈密瓜中的乙烯水平。沒有強烈的乙烯激增，甜瓜在從田地到農產品區的旅程中保持堅實，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 De Ruiter Seeds Group 聘用的植物育種者 Dominique Chambeyron 成功培育出了一種小型條紋哈密瓜，這種哈密瓜在收穫後數週仍能保持其硬度和風味。這種名為 Melorange 的品種在中美洲種植，並在 12 月至 4 月期間（當地太冷而無法種植哈密瓜時）運往美國的 Sam's Club 和其他精選連鎖店。我去年嘗試了一片：它的質地緻密，風味和香氣濃郁到近乎辛辣。不幸的是，Melorange 背後的傳統育種方式在很大程度上依賴於偶然性。完善一個始終令人印象深刻的新品種可能需要十多年的時間。育種者必須反覆雜交授粉植物，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。他們收穫的大部分都遠遠偏離目標，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 De Ruiter 的孟山都，Jeff Mills 和他的同事們能夠在將單粒種子播種到地裡之前，預測哈密瓜植物最終果實的質量。首先，Mills 和他的團隊確定了 Melorange 獨特風味和硬度組合背後的甜瓜基因。他們可以在合作且很大程度上自主的機器人組的幫助下，在哈密瓜種子中尋找這些遺傳“標記”。
2013 年 11 月，當我參觀孟山都位於加利福尼亞州伍德蘭的蔬菜研究和開發總部的分子育種實驗室時，我看到了許多這樣的機器在運轉。一臺種子削片機削掉一小片種子用於 DNA 分析，留下剩餘的完整核心，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，以化學方式將熒光標籤粘附到相關的基因上（如果存在）。還有一臺機器放大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。
這種稱為標記輔助育種的技術並非全新，但由於基因測序變得更快更便宜，它們在過去 10 年中實現了前所未有的農產品完美主義壯舉。孟山都的種子削片機可以 24 小時運轉，整個系統可以在兩週內向育種者交付結果。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、色彩更豐富、形狀更好、營養更豐富的水果和蔬菜，其中一些已經在雜貨店和農貿市場有售。除了越來越美味的甜瓜外，豐收還包括比平時含有更多營養物質的西蘭花、真正多汁的草莓以及既賞心悅目又美味可口的西紅柿。
“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，她是一位馬鈴薯育種者，同時為美國農業部和威斯康星大學麥迪遜分校工作。“我這裡有一位研究生 [在 2009 年] 花了三年時間試圖識別與抗病性相關的 DNA 序列。在實驗室工作了數百小時後，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 200 株植物的 8,000 個標記。”
所有這些關於 DNA 分析的討論聽起來可能很像基因工程——基因編輯技術，它創造了轉基因生物 (GMO)。但事實並非如此。這是一種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 9,000 年來，人們一直在改變植物以適應他們的用途。我們吃的幾乎每一種水果和蔬菜都是馴化物種，我們透過數十年來的人工選擇和育種對其進行了改造：僅儲存具有最理想特徵的植物的種子，並有意識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、穗粗的玉米，並將一種野生捲心菜塑造成西蘭花、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 70% 以上的加工食品都含有用轉基因玉米、大豆和油菜籽製成的成分，但在超市銷售的鮮蔬菜和水果中，經過基因工程改造的卻很少。例外情況包括抗病毒的木瓜、李子和南瓜，以及抗蟲害的甜玉米。
新鮮水果和蔬菜很少是轉基因生物的原因之一是，總的來說，它們的利潤遠低於該國最大的農作物：玉米、大豆、乾草、小麥、棉花、高粱和水稻，而且種植範圍也較小。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來處理批准轉基因生物上市銷售所需的繁瑣且成本高昂的安全測試和聯邦監管程式。
轉基因水果和蔬菜的另一個大障礙是公眾的反對。大學和種子公司知道，今天將新的轉基因生物引入農產品區可能會在美國民眾中引發軒然大波，他們反對他們認為是“弗蘭肯食品”的東西。大多數購物者仍然沒有注意到商店中已經存在的少量轉基因水果和蔬菜，因為它們通常沒有貼上標籤。
在過去十年中，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改進且科學家們繼續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而言重要的食物品質。“詢問消費者想要什麼是理所當然的，但事實並非如此，”佛羅里達大學的西紅柿育種者哈里·J·克萊說。相反，他說，你幾乎總是看到育種者優先考慮農民或食品經銷商的需求。
一個完美的例子是經典的超市西紅柿。幾十年來，專家們一直認為西紅柿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，人們喜歡偏甜的西紅柿。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、堅硬的果實，這些果實通常在漫長的旅程中到達雜貨店時仍能保持飽滿的西紅柿植株。然而，植物生產的西紅柿越多，它能給每個西紅柿的糖就越少。典型的超市西紅柿可能看起來很漂亮，但它們沒有足夠的糖來滿足我們的味蕾。
克萊決心將工業西紅柿從目前的味覺低迷中拯救出來。透過一系列大型口味測試，他評估了近 200 個品種的老品種西紅柿——由小農戶和園丁儲存並在一些雜貨店和農貿市場出售的較老的品種。老品種以其鮮豔的色彩和美妙的風味而聞名，但它們的表皮容易破裂和結疤，它們很快就會變軟，而且它們來自的植物無法生產出足夠的果實來滿足大型商業農民的需求。
在他的研究中，克萊瞭解到，許多老品種比標準西紅柿更美味，不是因為它們含有更多的糖，而是因為它們富含更復雜的風味成分：被稱為揮發性有機化合物的刺激性化學物質，這些物質從植物中飄出並進入我們的鼻孔（想想：新鮮的草或誘人的柑橘氣味）。在 2012 年的一項研究中，克萊和他的同事發現，如果西紅柿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西紅柿。克萊懷疑香葉醛和其他揮發物不僅賦予西紅柿氣味，而且還放大了水果固有的甜味。在後續研究中，他培育出了缺乏香葉醛和其他芳香分子的西紅柿。人們不喜歡它們。如果西紅柿的糖含量處於中等至高水平，但沒有揮發物，志願者就不會覺得它甜。
最近，克萊一直在努力培育雜交植物，讓種植者和消費者都能獲得新舊西紅柿世界的精華。在過去的四年裡，他和他的同事們將他們能找到的最美味的老品種與現代常規西紅柿雜交，培育出產量高、果實堅實光滑且味道極佳的雜交品種。克萊經常儲備廉價的電動牙刷，他和他的團隊用它們輕輕但徹底地搖晃西紅柿花，收集掉落到試管中的花粉，以便他們可以做媒。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。“基因分析無疑為雜交決策提供了資訊，”克萊說。他說，在 2012 年西紅柿基因組序列出現後，這項工作大大加快了速度。
佛羅里達大學在 2013 年底釋出了其中兩個雜交品種——Garden Gem 和 Garden Treasure。它正在將它們授權給種子公司進行大規模分銷。雖然雜交品種的產量不如商業西紅柿，但它們的產量是其老品種親本的三倍多，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 Vance Whitaker 正在一個相關的專案上取得良好進展，以增強超市草莓的刺激性，超市草莓也以犧牲味道為代價獲得了大小和耐用性。
與哈密瓜和西紅柿一起，另一個值得注意的受分銷困難影響的農產品是西蘭花。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籠罩下茁壯成長。當被迫忍受東北部炎熱潮溼的夏季時，這種蔬菜會產生多節的菜頭，花蕾大小不一。組成西蘭花樹冠狀圓頂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發現，在西蘭花發育的關鍵時期，它會跟蹤它享受了多少小時的涼爽溫度，並且只有當總數足夠高時才會產生均勻的花頭。這就是為什麼在東海岸種植的西蘭花最終可能會出現難看的混合物，其中既有漂亮、飽滿的花蕾，也有微小、幾乎難以察覺的花蕾。
2011 年初，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的西蘭花，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室中，比約克曼和他的團隊一直在讓西蘭花經受東海岸的熱量和溼度水平，僅保留在這些條件下生長出最具吸引力的花頭的植物的種子。雖然他們還有很多工作要做，但他們已經培育出了西蘭花，與目前在東部種植的品種相比，這種西蘭花可以應對更多幾周的夏季炎熱。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，尋找基因來解釋為什麼有些西蘭花比其他西蘭花長得更好。找到它們可以縮短他們實現理想植物的旅程。
培育在炎熱天氣中保持美麗的西蘭花不僅僅是一項美學練習。這也關係到將更美味、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食品不同——它嫩滑，帶有溫和的植物風味，一絲金銀花味，沒有刺鼻的餘味。將西蘭花從加利福尼亞州運往該國其他地區需要在黑暗中用冰冷藏數天。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。溫度的快速下降會破壞細胞壁，不可挽回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並相互碰撞，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·米森和他的同事們使用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。此後，他們將由此產生的西蘭花 Beneforté 授權給孟山都；您可以在一些 Sam's Club、Harris Teeter 和 Stater Bros. 商店找到這種小花球。
播種創新
為了獲得啟動其倡議的資助，比約克曼和法納姆必須向美國農業部保證，種子公司對西蘭花潛在的新區域市場真正感興趣，方法是從私營部門獲得資金。孟山都、先正達和 Bejo Seeds 都在捐款，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。
與克萊和他美味的西紅柿一樣，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並在商業規模上大規模生產它們。這樣做需要大量資金。在單個植物中尋找遺傳標記可能變得越來越便宜，但產生大量種子並將其銷售給農民仍然很昂貴。
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財務和技術資源，真正的創新將會枯萎。“隨著技術轉移到私營部門，公共部門的育種專案大幅減少，”威斯康星大學麥迪遜分校的歐文·戈德曼說，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。”
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校植物育種中心主任傑克·朱維克在 20 世紀 70 年代首次涉足育種，他記得當時的大公司不像今天這樣占主導地位。“當我剛開始工作時，有很多較小的公司銷售大量種子，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結構，”朱維克說。“我們公共機構的人員不再開發成品種，而是為大型公司設計種質 [種子和品種] 以供使用。這些大型公司有資源進行一些良好的測試並生產一些非常好的品種，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·克洛彭堡屬於來自全國各地的育種者和農民團體，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。儘管如此，在 21 世紀的商業種子領域，這種安排是前所未有的。一種可能成本高昂的選擇是讓植物育種者聘請律師並獲得其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，不包括龐大的私營公司）。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免費共享種子及其用種子製造的任何東西的情況下才能使用種子。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，一定程度的調和是否是前進的最佳方式。“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型作物，轉而進入小眾作物。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。我認識孟山都的很多人，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，公共部門和私營部門相互依賴，各有專長。
最終，克萊最關心的與越來越多的植物育種者一樣的前景是：彌合種植者賴以謀生與消費者希望在餐盤中看到的東西之間的鴻溝。“標記輔助育種使我們有可能回頭修復風味和質地等問題，”克萊說。“歸根結底，這真的很簡單：讓我們給人們他們喜歡的東西。”