将植物的可塑性或稳健性作为确保粮食安全的途径

为何会随环境变化的植物对我们的餐盘至关重要

随着全球人口增长与气候变得愈加难以预测，人类面临的一个核心问题很简单：我们能否持续生产足够的食物？本文探讨植物如何应对高温、干旱和贫瘠土壤等不断变化的条件，以及育种者如何利用两种相反特性——可塑性和稳健性——来保障收成。理解这些概念有助于解释为何某些作物能在极端天气中存活并丰产，而另一些则失败，以及未来农业如何在变暖和更不稳定的世界中调整。

从野生草本到全球主食

当今大多数主要作物在过去一万年间由野生祖先驯化而来。早期农民在无意识中选择了符合需求的性状：玉米更大的籽粒、水稻和小麦更多的籽数，或番茄和茄子更大的果实。通常仅少数基因就能驱动显著变化，把蓬乱的野生植物变成高产作物。今天，约15种作物提供了人类约70%的热量，其中少数几种——稻米、小麦、玉米、甘蔗和大麦——承担了大部分作用。然而这些作物现在被栽培在远离原产地的地方，面临高度多样的气候、季节和土壤类型，不得不对早期驯化期间未遇到的环境压力作出反应。

可塑性：随天气改变的植物

作者用“表型可塑性”一词来描述植物在条件变化时改变外观或行为的能力。同一基因型在凉爽湿润的田地里可能长得高大，而在炎热干旱的环境中则保持矮小并提前开花。可塑性可以体现在从根系在土壤中的分布到开花时间以及叶片和果实的化学成分等各方面。现代工具——如全基因组研究、大规模田间试验和精细的环境监测——现在让科学家能追踪数千种植物品种对温度、水分、养分和日照长度差异的响应。这些研究显示，可塑性常由特定基因控制、可遗传，并能帮助作物适应当地气候，有时代价是它们在其他环境中表现不佳。

稳健性：能保持不变的植物

在谱系的另一端是“通道化”或稳健性：植物在不同条件或轻微遗传变化下仍产生几乎相同结果的趋向。稳健的植物就像设计良好的机器，即便遇到颠簸也能平稳运行。研究者已发现可缓冲关键性状的基因，例如日常生物钟、化学防御或产量，使这些性状在田间和多年间保持稳定。在番茄和大豆等作物中，某些基因区与产量稳定性相关，而非与高平均产量相关。这些“缓冲”基因并不一定在丰年提高表现，但它们能在歉年减少灾难性失收的风险——在天气严酷或不可预测的地区，这一点非常受欢迎。

在高收益与保障之间的选择

对育种者而言，具有高度可塑性的作物和稳健作物类似于不同的投资策略。高度可塑的品种在条件有利时可以带来卓越产量，但在天气极端时其表现可能大幅波动，像高风险股票一样。稳健品种更像保守投资：它们很少创下纪录产量，但在压力下能提供更可靠的收成。综述认为，完全依赖任一策略都是有风险的。气候变化既带来渐进性变化，也带来突发极端事件，单一方法无法覆盖所有未来情景。相反，育种者正结合详尽的遗传数据、环境测量和机器学习模型，来预测不同品种在多种可能未来中的表现。

为未来食物在可塑性与稳健性之间取得平衡

对非专业读者而言，文章的主要结论是：未来一个世纪不存在单一“最佳”作物类型。在管理良好、较可预测的地区，栽培可利用好年景并推动产量上升的可塑品种可能更划算。在频繁遭遇干旱、高温或风暴的地区，能稳住产量的坚韧品系可能更有价值。作者建议采取“分散风险”的策略：同时开发和维持可塑与稳健的作物，扩大我们依赖的物种范围，并在模拟未来气候的条件下测试植物。通过结合这些方法，农业既能保护可靠的粮食供应，又保留在地球持续变化时适应的能力。

引用: Alseekh, S., Klemmer, A., Yan, J. et al. Embracing plant plasticity or robustness as a means of ensuring food security. Nat Commun 16, 461 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-55872-4

关键词: 粮食安全, 作物育种, 表型可塑性, 气候变化, 植物韧性