为了养活一个更热、更干燥的星球，斯坦福大学的科学家们正在建造一个更智能的工厂。该团队对植物进行了基因重新编程，在实验室培养室中培育，以长出或长或短、分枝或细长的根——这些特征改变了收集养分或水的能力。

我们能否破解DNA为更热 更饥饿的星球种植更多食物

有朝一日，控制根系生长可能会为农民提供一种强大的新工具，尤其是在土壤贫瘠的干旱或洪水多发地区。专家说，在未来几十年里，随着人口的增加，我们将需要种植能够在越来越严酷和不可预测的条件下产生前所未有的丰收的作物。如果改良的根系结构能够提高粮食作物的产量，或许就能提供更多的食物。

“所有这些工作的目标是尝试制造能够提高农业可持续性的植物，”植物系统生物学家兼教授JoséDinneny说，他与生物工程教授JenniferBrophy的合作发表在《科学》杂志上。

科学家们通过引入DNA改变植物的遗传回路以响应环境线索，从而改变了根结构。基因电路就像电路一样，可以打开或关闭以调整行为。

目标是设计适合特定环境的植物——或者在未来赋予植物自我调整的能力。

他们在一种叫做拟南芥的芥菜中测试了他们的策略，因为它是一种快速且容易生长的植物。现在研究人员已经证明这个想法可行，他们计划将其应用于经济作物。

在外地，成功率可能较低。生物以不可预测的方式对野外环境做出反应。其他基因和遗传网络可能需要修补。

食品安全中心等批评者认为，有更好的方法来解决这个问题，例如改良土壤或使用传统技术培育能够承受气候变化影响的植物。

多年来，研究人员一直试图通过使用传统的基因工程来改良植物——将来自细菌的DNA块引入植物的基因组，以改变特定的性状，例如害虫和除草剂抗性。经改造可在除草剂Roundup中存活的玉米、棉花和大豆已成为美国田间的标准作物。

但新兴领域“合成生物学”正在通过提供更复杂的工具来加速研究。现在可以构建或重新编程整个基因组——使用来自铸造厂或“工厂”的定制基因部件，就像工业订购铸造和机加工的金属部件一样。

“合成生物学产业在湾区蓬勃发展，许多企业家将生物功能编程到活细胞中，”全球生物工程师网络SynBioBeta的创始人兼首席执行官JohnCumbers说。“我们现在可以很容易地设计一种酶或细胞来执行特定的功能，比如制造一种新的生物基化学品或材料。”

但直到最近，园艺领域“对科学家来说仍然遥不可及，”他说。“这是生物工程领域的圣杯之一——我们如何才能让植物长成我们想要的任何形状?”

斯坦福技术提供了精细和复杂的控制，不仅改变了一个基因，而且改变了整套植物基因的行为，以在不同的环境条件下诱导根系生长的变化。

该团队构建了合成DNA，通过创建一个基因切换开关(如计算机的逻辑门)来打开和关闭基因，从而改变电路。

基因切换允许团队调整生长模式，例如根系中的分支数量，而无需改变植物的其余部分。例如，“关闭”状态会在根尖形成一层细胞，阻止进一步生长。

该团队设想对作物进行编程，使其根系发育​​得更有角度，这样它们就可以潜入更深的地方寻找水或氮，或者潜入更浅的地方，以防止在洪水期间因缺氧而溺水。植物可以设计成密度，向下延伸一个不侵犯邻居的长主根。

1960年至2010年间，“绿色革命”通过改进肥料使用、高产品种和灌溉技术，使世界粮食产量提高了175%。但全球作物产量停滞不前。

Dinneny说，驯化培育出的植物对水和养分的消耗效率低下。它们专为理想环境而设计。

他补充说，如果产量提高，将有助于保护我们剩下的荒野。“除非我们想砍伐更多的森林来创造更多的农业用地，”他说，“否则我们将不得不想方设法改进我们种植食物的方式。”

但该项目受到食品安全中心科学主任BillFreese等批评家的质疑。

“我有一种感觉，它非常像我所见过的无数其他研究的成功和失败的例子，主要是失败，”他说。“我见过太多因为技术障碍而挣扎的天上掉馅饼的经历。”

弗里斯说，一些转基因植物的承诺已经消失。例如，对除草剂Roundup具有抗性的杂草正在出现——因此经过工程改造的“RoundupReady”品牌的玉米和大豆正在失去其用途。根据哈佛大学的一份报告，农民现在花费更多的钱在除草剂和耕种土地的劳动力成本上。

他说，我们应该专注于改善环境，例如土壤条件，而不是基因修复。“如果你从基因上退一步，更全面地观察植物生长的环境，有时你会找到更简单、更直接的解决方案。”

与此同时，其他研究机构正在利用先进的遗传技术来改良植物。例如，盖茨基金会资助了C4水稻项目，通过改变叶脉间距来提高水稻的光合作用。SalkInstitute的HarnessingPlantsInitiative旨在改变控制植物长期储存碳的遗传途径。

Cumbers说，这样的研究“是迈向未来世界的优雅一步，我们可以很容易地设计和建造工厂来执行各种其他功能性应用。”

生命是一台令人难以置信的生物机器，Cumbers说，他设想修改植物的DNA代码，按照我们的设计规格建造建筑物，用活的有机材料创造整个城市。

“想象一下能够种植橡子并让它长成一所房子，”他说。“这现在看起来像是科幻小说，但橡子里面是制造橡树的遗传密码——那么重新编程DNA以建造房屋需要什么?”