粮食安全正成为全球面临的最大挑战之一。近年来，由于战争、通货膨胀和极端天气，一些地方的粮食供应状况持续恶化。鸡蛋和蔬菜等基本食品的价格已成为全球关注的焦点。

目前，全球一半以上国家的食品价格通胀率都高于整体通胀率。显而易见的答案是种植更多农作物，尤其是能源密集度最高的六大作物——大米、小麦、玉米、土豆、大豆和甘蔗。

不幸的是，由于冲突、突发干旱和洪水等极端天气增多以及植物病虫害激增，生产粮食变得越来越困难。

为了让农民在未来不确定的时期继续生产，我们需要更好的农作物。但许多前沿农业研究专注于改善植物的特定方面——更好的抗旱能力，或更好的耐受土壤盐分的能力。这可能不足以应对未来的冲击。

我们的研究提出了一种利用作物品种的全部遗传优势来加速培育更优良作物的方法。

永不停歇的农作物

人类利用选择性育种和基因操作等手段，对为我们提供大部分食物的植物进行了大规模改良。

但许多农业研究都是孤立进行的。研究人员深入研究解决具体问题——例如，如何让小麦抵抗特定真菌的侵害。

粮食安全在多个方面面临的挑战日益严峻，这意味着我们需要采取新的方法。气候变化将给我们的农作物带来许多不同的威胁。世界上部分地区可能会遭遇突发干旱，而极端降雨则会导致其他地区洪水泛滥。一些害虫和疾病将在更热的世界中肆虐。

这就是为什么我们要寻找另一种方法——泛基因组学，它试图捕捉一个物种可以接触到的每个基因。

你可能认为一个物种有一套统一的基因，但事实并非如此。是的，所有水稻植物都有一套共同的基因序列。但个别植物和品系也有明显的遗传差异。泛基因组涵盖了所有这些。

泛基因组的概念直到2005年才出现，当时微生物学家HervéTettelin和他的同事正在寻找一种针对链球菌的疫苗。当他们检查不同的菌株时，他们意识到这些菌株中蕴含着多少额外的遗传信息。

这是一项突破，表明我们过于关注一个物种的单个分离株而错过了很多东西。在发现它们之前，我们曾假设一个物种的个体携带了足够的信息来准确代表该物种的基因组内容。但这并不正确。

这一认识改变了我们看待农作物的方式。泛基因组提供了一种从更广泛的基因库中重新注入失去的活力的方法，而不是试图仅使用其自身的基因包来完善单个品种(栽培品种)。

2019年，我们进一步采用了泛基因组方法，考虑了作物的整个基因库，包括其驯化品种及其野生近缘种。驯化作物的许多野生近缘种仍然存在。这些植物具有巨大的遗传多样性，并且通常含有通过驯化和育种而丢失的优良基因或基因变体(等位基因)。

我们将这种方法称为“超级泛基因组”，以识别驯化和野生基因库的捕获。

这如何有助于保证粮食供应?

人类驯化和选择性培育农作物已有1万多年的历史。但野生近缘种也在同一时期蓬勃发展。

这些野生近缘种未被驯化的原因有很多，比如味道差、难以储存、产量低等。但它们的遗传密码中确实具有一些理想的特性，我们可以识别、分离这些特性并将其注入驯化物种中。

一旦我们获得了某个物种及其野生近亲的遗传数据，我们就可以开始寻找特别有用的基因。我们寻找的是那些能够适应或在未来可能恶化的环境压力下生存的基因，例如干旱、盐碱地和极端温度。我们可以识别出抗病基因，并确定为什么某些品种具有其他理想的特性，例如更好的味道或更高的产量。

世界各地有许多有前景的研究项目采用了这种方法，从美国研究人员利用野生葡萄的基因来提高驯化葡萄的产量，到中国研究人员对西红柿进行类似的研究。

我们和同事们专注于不起眼的鹰嘴豆，这是一种营养丰富的豆科植物，对印度14亿人口尤为重要。鹰嘴豆和其他豆科作物一样，从空气中吸收氮并将其固定在土壤中，这可以提高土壤肥力，并有助于抵消一氧化二氮(一种鲜为人知的温室气体)的排放。

但由于一些进化瓶颈、驯化和选择性育种，鹰嘴豆缺乏遗传多样性。这已经造成了问题，因为遗传多样性低下使物种更容易受到害虫和疾病的侵害。西澳大利亚州的鹰嘴豆种植户仍然记得20世纪90年代末爆发的真菌病害，这场病害几乎摧毁了鹰嘴豆的生产，使鹰嘴豆不受欢迎——尽管其他州扩大了出口。

解决方案：研究野生近缘种。在鹰嘴豆等近缘种的基因组中，我们发现了几个有助于抵抗这种真菌的有希望的基因。

现在可以通过现代方法(例如基因组辅助育种和基因编辑)将这些基因整合到驯化物种中，以开发抗病高产的鹰嘴豆品种。

一旦我们找到并捕获最重要的作物(包括野生和驯化作物)的全部基因库，就可以更容易、更快地为这些重要植物增强功能，并为它们配备在未来的不确定性中生存所需的基因。