按照目前的作物产量发展趋势，以及害虫和病原体、降水、热浪和其它极端天气变化导致的气候压力对作物产量的限制，只有实现更高和更稳定的作物生产，到2050年前才能养活世界人口。该文研究了植物科学在农业绿色革命挑战方面的潜力，并探索了在不断变化的气候中，如何提高可持续作物产量和抗灾能力的新策略。提出加速作物改良必须利用自然进化的特性和机制清晰的工程驱动，以产生一个弹性生产系统确保未来收成。

20世纪60年代的绿色革命通过培育优良品种、开发杂交作物、施肥以及通过大量公共投资提高管理水平，让主要粮食作物的产量得到快速提高，满足了日益增长的全球人口对热量的需求。尽管绿色革命对粮食安全产生了显著影响，但它在人类营养、作物抗逆性和环境方面的影响却参差不齐。甚至在某些地区产生了意外影响：富含营养素的水果和蔬菜被富含卡路里和更高价值的粮食作物所取代。未来要实现粮食和营养安全，必须增加营养丰富的蔬菜、薯类、块茎类和谷类作物的产量，并扩大农业进步在全球的影响范围。

该文讨论了对于作物表现来说至关重要的几个性状，包括与改良相关的遗传变异和可塑性，以及处理性状改良的先进和新兴方法。抗逆性和高产率需要由固有的性状和对动态环境的反应时间来辅助。而改进的方法包括捕获自然遗传变异、基因的功能表征、利用适当的调控手段操纵内源性或转移的基因、开发低成本和安全的小分子，这些小分子可以在胁迫前或恢复期间输送到植物体内，并通过与共生微生物的相互作用改善植物健康。

影响产量稳定的非生物胁迫包括洪水、干旱、土壤盐碱度和极端温度。通过识别与产量关键性状和作物改良机会相关的基因，可以使用恢复机制用于作物改良。作者通过举例分别阐释了不同的非生物胁迫对作物产量所造成的影响，并介绍了相应的研究现状以及未来研究思路。

就如何解决当前全球的作物产量难题，该文分析了以下几点研究思路：光合作用对产量的优化、增加大气中的二氧化碳含量并减少植物水分流失、减少化肥的使用、发展氮共生工程以及利用微生物组合来提高作物对环境胁迫的复原力。

尽管各项研究进展为植物科学提供了创新机会和技术，来帮助解决未来粮食安全问题，但该文所述的增强作物韧性和可持续性的战略很难在农业中快速地得到真正的广泛实施。

为此，作者提出需要加大对高通量基因分型和表型分型的投资，以加速基因鉴定和机制解析以及培育后续品种。而对气候变化、盐度和(再次)出现的疾病、杂草、寄生植物和害虫造成的产量损失，则需要技术创新和积极的应对措施。另外整合遗传资源和从基因组编辑到合成生物学的变革性技术，对于获取增强全球粮食安全和减少农业对环境影响的性状也是至关重要的。早期的植物生物技术专家在健康和安全问题上缺乏与环保人士、农民和消费者的有效接触，阻碍了解决方案的实施，因此需要建立非政治化的监管体系。

植物科学在应对未来的食品和纤维挑战方面发挥着关键作用。必须及时在多个层面进行投资和研究以及开展合作，这对于部署抗灾机制和提高作物的可持续性、产量和营养价值有着至关重要的影响。

论文链接：doi.org/10.1038/s41586-019-1679-0