綠色基因的威力

呂　靜

在幫助農(nóng)作物獲得抗旱、耐鹽的能力之后，新的轉基因技術將目標瞄向環(huán)保功能，下一代轉基因作物所能減少的溫室氣體量，相當于全世界所有飛機都停飛

公眾中很少有人認識這樣一個事實：農(nóng)業(yè)對全球變暖的“貢獻”要比全世界的汽車、火車、輪船和飛機全部加起來的作用還要大。

農(nóng)業(yè)對環(huán)境的影響并不是碳而是氮。從美國堪薩斯的玉米地到中國碧綠的稻田，現(xiàn)在的糧食高產(chǎn)主要靠的是大量的施用氮肥。雖然結果是只有極少一部分一氧化二氮逃逸到大氣中，但它確是一種強烈的溫室氣體。

埃里克·萊相信他找到了解決這個難題的答案：采用一些需要肥料較少的遺傳改造作物品種。萊是美國最悠久的環(huán)境組織——峰巒俱樂部的終身會員，他的目標是使人們相信植物生物技術所產(chǎn)生的綠色能使得農(nóng)業(yè)更加環(huán)境友好，在他名為阿卡迪亞生物科學的公司里，有一個田園牧歌的夢想。

這項發(fā)明將帶來一些令人心悅誠服的效果，甚至給那些一貫攻擊轉基因作物的綠色激進分子帶來熱情。

耐鹽抗旱，適應環(huán)境

越來越多的人認識到，氣候變化是對農(nóng)民的嚴重挑戰(zhàn)，這就意味著這些公司能幫助農(nóng)民適應環(huán)境而獲得巨大利益。在過去的一年中，美國密蘇里州圣路易斯的業(yè)界領袖孟山都公司就農(nóng)業(yè)如何適應全球變暖的問題請教過學界領袖，其旗下的科學家也在思考這個問題。他們的結論是：在一個變化、不穩(wěn)定的環(huán)境中，威脅作物生產(chǎn)的壓力，比如干旱，將會變得越來越頻繁和嚴重。孟山都技術策略和發(fā)展的副主席戴維·菲斯霍夫說：“我們現(xiàn)在的主要注意力之一就是幫助植物適應環(huán)境壓力?！?/p>

植物生物技術業(yè)界的巨頭已經(jīng)在研究一些諸如抗旱和耐鹽性狀，這些性狀可能對受全球氣候改變制約的農(nóng)業(yè)保持高產(chǎn)很關鍵。在干旱嚴重的澳大利亞，一個由斯潘根伯格領導的研究小組正在墨爾本大學的維多利亞農(nóng)業(yè)生物科學中心進行30個品系轉基因小麥的田間試驗。這些品系包含有各種有助于小麥抗旱的基因，這些基因來源于玉米、啤酒酵母、阿拉伯芥和苔蘚植物。

這種新一代轉基因作物最早將是能在干旱時期存活或在生長季節(jié)中需要水較少的玉米品種。現(xiàn)在對于這種產(chǎn)品已經(jīng)有很強的市場需求，僅在美國，種玉米的農(nóng)民因為干旱，一年就損失34億美元，而全世界的損失則達到80億美元。

用基因工程培育抗旱轉基因植物遠比簡單地插入一個抗除草劑基因或除蟲蛋白更為復雜。在一個作物品種上或在一種環(huán)境下有效果的基因，換了另一種環(huán)境可能就沒有效果了。另外，孟山都和其競爭對手都聲稱他們可以在干旱條件下把玉米產(chǎn)量提高10%。估計在2010年后不久，人們可以見到其最早的商業(yè)品種。

除了研究玉米，研究人員也在對其他植物的耐旱轉基因品種也進行了開發(fā)。美國愛荷華州約翰斯頓先鋒良種國際有限公司的馬克·阿爾伯森說：“我們正在尋找一些從玉米影響到其他作物的辦法?！?/p>

耐鹽是研究人員看中的另一個性狀。當用地下水灌溉干旱地區(qū)干渴的作物時，水中攜帶的鹽分就積累在土壤中。鹽度已經(jīng)成為世界性的大難題，而且隨著海平面的上升，沿海農(nóng)用地可能加劇被海水污染。因此，耐鹽作物可能會產(chǎn)生很大影響。

阿卡迪亞公司設在美國加州的戴維斯，它通過添加一個阿拉伯芥基因讓植物獲得更好的耐鹽性，該基因編碼是一種能夠把鈉離子從植物細胞的主要區(qū)室泵入液泡的蛋白質。這項技術已經(jīng)被準許用在美國西海岸種子公司所培育的牧草作物紫花苜蓿上。該公司還在致力于研究耐鹽的水稻、棉花、番茄和油料種子油菜。

在某些情況下，一種基因的修改將使得作物既能抗旱也能耐鹽。比如，2006年，由華中農(nóng)業(yè)大學熊立仲所領導的小組發(fā)現(xiàn)，轉基因水稻中的SNAC1基因通過表達可以更好地耐受干旱和鹽堿的土壤。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因為這個基因編碼著一種可以打開其他基因的蛋白質，人們認為這種基因有助于植物對環(huán)境壓力作出應答，因而稱之為脅迫應答基因。

現(xiàn)在，熊立仲正在集中精力利用常規(guī)育種手段來改進水稻的抗旱和耐鹽性狀，雖然中國政府還沒有對是否準許轉基因水稻進行商業(yè)種植做明確表態(tài)，但熊立仲對他的轉基因水稻獲得官方同意很有信心，他說：“我們將很快推進這一進程?！?/p>

農(nóng)業(yè)與環(huán)境存在矛盾？

不過，目前在中國和其他很多國家，轉基因水稻的商業(yè)種植還是有爭議的。不僅因為有巨大的文化差異，還因為人們關心這些水稻出口到其他國家，那里的消費者可能會回避轉基因食品。

但嚴酷的現(xiàn)實最終將推動這個話題。中國很多地上河流已經(jīng)干枯，現(xiàn)在只得靠地下水灌溉水稻和其他作物，水短缺和鹽堿化的問題會愈來愈嚴重，隨著城市的快速發(fā)展，需水量也越來越多。這種局面將使中國這個世界上頭號的水稻生產(chǎn)大國轉而相信抗旱耐鹽的轉基因水稻品種，盡管這種新品種面臨著出口的威脅。

第一代轉基因作物具有諸如耐除草劑和抗害蟲的性狀，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者是有益的，但消費者卻沒有看到這些對他們有什么好處，而綠色激進分子一直在攻擊轉基因農(nóng)業(yè)，他們認為這一技術除了促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還存在著破壞農(nóng)村生物多樣性的問題。在歐洲，反對派已經(jīng)有足夠的勢力延緩轉基因作物的田間推廣，并推遲轉基因食品在超市上架。

新型轉基因作物的利益是可觀的，但是隨之而來的風險也可能很大。人們會不會因為有了抗旱作物而去開墾荒地種田？如果真的是這樣，會不會威脅到干旱地區(qū)的脆弱環(huán)境呢？還有，耐鹽的大米會不會將基因傳遞給它們野生的近親，由此產(chǎn)生出一種新的壓倒一切的江河口生態(tài)的雜草呢？

到現(xiàn)在為止，這些問題都還沒有一個確切的答案。但是這很有可能成為轉基因作物之戰(zhàn)的下一個爭論起點。生態(tài)學家呼吁對抗旱和耐鹽作物可能出現(xiàn)的類似問題進行研究，而不是等問題出來了再找補救措施。

現(xiàn)在人們開始關注：那些用人工設計出來的、能在溫暖世界中保持高產(chǎn)，或能控制溫室氣體排放的轉基因作物，是否能夠改變歐洲對轉基因產(chǎn)品的厭惡？

比如，阿卡迪亞公司就打算生產(chǎn)一種需肥量較少的作物。這種作物不僅能減少種植成本，還能減少農(nóng)業(yè)溫室氣體的釋放和氮污染。氮污染可造成飲用水供應污染，還能把河流和沿海的水都變成死水區(qū)。

這種轉基因作物即將面世，而且毫無疑問它們將受到人們的歡迎。埃里克·萊現(xiàn)在期望推出的就是人們認可的對環(huán)境有益的一種轉基因應用辦法。

環(huán)境友好型轉基因技術出現(xiàn)

萊認為，答案就在于一個叫做氮利用效率的性狀。在地球上絕大多數(shù)地方，作物產(chǎn)量都極大地依賴氮肥的巨大數(shù)量。制造肥料的過程釋放出大量的二氧化碳，據(jù)估計數(shù)量占所有溫室氣體的1%，這還僅僅是開頭，很多作物所吸收的氮養(yǎng)分還不到肥料氮的一半，這就是說其余的氮會流失并污染土壤和地下水，結果之一就是由于藻類繁殖造成世界范圍內(nèi)沿海水域的生物相繼死亡，形成死水。更嚴重的是，進入土壤的氮會轉化為一氧化二氮，這種氣體的溫室效應是二氧化碳的300倍。

自從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開始，大氣中一氧化二氮的水平已經(jīng)提高了18倍，而這個結果主要是由氮肥引起的。在變暖潛力中，從農(nóng)場土壤釋放的一氧化二氮占全球溫室氣體釋放總量的6%。

阿卡迪亞的解決辦法是一種和蛋白質生產(chǎn)有關的丙氨酸氨基轉移酶的基因，該基因最早是從大麥中分離出來的。他將這個基因插入植物DNA序列并確保它能在植物根部啟動。阿卡迪亞聲稱，在很多植物上，該基因都似乎具有促進吸收土壤氮的能力。超過5個生長季的大田試驗顯示，轉基因油菜僅僅用目前施肥量的1/3就能獲得同樣的產(chǎn)量，或者依然采用目前的施肥水平，產(chǎn)量則提高1/3。在實踐中，農(nóng)民們寧愿比現(xiàn)在少施40%化肥，減少一點收成。目前，阿卡迪亞已經(jīng)允許孟山都公司使用這種轉基因油菜的技術。

由于低成本和高產(chǎn)量，絕大多數(shù)農(nóng)業(yè)生物技術公司都在致力于研究促進氮效率的方法。阿卡迪亞另辟蹊徑，通過改善作物的性能來減緩全球變暖。減少肥料應用可直接消減一氧化二氮的釋放比例。

事實上，還有一些減少一氧化二氮釋放量的辦法。比如，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做一些改變，比如改變施肥的時間或施肥方法也能產(chǎn)生差異。不過，采用氮效率高的作物品種還是會使得肥料用量顯著下降。

阿卡迪亞公司目前正在與中國寧夏自治區(qū)的官員研討用肥量較少攜帶有丙氨酸氨基轉移酶基因的水稻如何降低溫室氣體的排放量。他們的目標是在《京都議定書》之下發(fā)起一個清潔發(fā)展機制的項目。讓那些難以達到降低溫室氣體排放量的富國轉而幫助窮國消減溫室氣體的排放量。

萊說：“我認為我們還將在這一領域研究2年左右，然后再花幾年的時間完成審批過程?！比绻芯揩@得批準，阿卡迪亞和農(nóng)民將分享轉基因作物的成果。畢竟，這是兩全其美的，正如他所說的那樣：“如果你能想出既能解決環(huán)境問題又能賺錢的好辦法，那你就贏得了世界上最完善的結局?！?/p>

誰需要下雨？

第一代轉基因作物是由一個“通用一刀切”的方法研制出來的。比如，生物學家取出一個單一的抗除草劑基因，然后將這個基因放到想轉基因的植物上就大功告成了，用這種粗糙的轉基因手段沒辦法對付干旱的情況。

有一些途徑能幫助植物抗旱。比如，一個辦法是可以通過提高植物中一種叫做海藻糖的糖產(chǎn)量，讓植物能在脫水時存活，這就是沙漠“復活植物”的秘密。還有一種類似的辦法，可以利用一種在細胞干燥時能保護其他蛋白質的HVA1蛋白質，很多植物原本已經(jīng)具有可以激發(fā)的在壓力下存活的遺傳程序，另一個辦法就是減少水的損失，這可以通過限制植物葉片上被稱為氣孔的控制水分蒸發(fā)的開口來做到。

問題是，如果沒有發(fā)生干旱，這種轉基因的抗旱植物有時候產(chǎn)量就不及沒有轉基因的作物。因為限制氣孔也就減少了光合作用需要的二氧化碳。農(nóng)民并不想僅僅為了可能的旱災付出很大的代價。

為了將這種取舍的問題最小化，抗旱性能需要剪裁到適合特定的植物物種、品種及環(huán)境。比如在澳大利亞，小麥都種在昆士蘭州，在生長季，雨水大都下在這個地區(qū)之外；而在西澳大利亞，在小麥生長季中一直有少量的雨水，但是水蒸發(fā)很快，所以，遺傳工程必須因地制宜。