蓋茨基金資助的研究找到光合作用升級(jí)秘籍使大豆產(chǎn)量提高百分之三十三

現(xiàn)今，全世界受糧食短缺影響的人口正在增加。實(shí)現(xiàn)單位面積增產(chǎn)，是解決糧食安全、土地不足的有效途徑。而“改善光合作用”被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量躍升的主要途徑之一。

近日，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校高級(jí)研究中心史蒂芬教授的實(shí)驗(yàn)室在提高大豆的光合作用效率上取得顯著進(jìn)展：田間試驗(yàn)表明，在沒有施用肥料的情況下，經(jīng)過針對(duì)提高光合作用效率的基因改造后，大豆產(chǎn)量平均提高24.5%，在某些情況下提高33%，而蛋白質(zhì)和油含量保持不變。

就全球總產(chǎn)量而言，大豆是第四大糧食作物，也是最重要的植物蛋白來源。若這項(xiàng)技術(shù)得以普及，那么將大有助于減少森林砍伐、溫室氣體排放和生物多樣性的喪失，并增加低收入國(guó)家農(nóng)民的收入。

這項(xiàng)工作是10年前建立的全球合作的結(jié)果，主要由比爾和梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)資助，旨在通過改善光合作用來提高作物產(chǎn)量，并使這些升級(jí)后的作物可供撒哈拉以南非洲的小農(nóng)戶使用。研究人員正在探索幾種“升級(jí)”方法，并嘗試將其結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)更顯著的產(chǎn)量增加。

針對(duì)該研究成果，史蒂芬認(rèn)為“它將適用于大多數(shù)作物，我們也正在研究豇豆和水稻?！痹谶@之前，已經(jīng)有幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過升級(jí)光合作用來促進(jìn)煙草等植物的生長(zhǎng)，但該研究是第一次針對(duì)糧食作物的田間試驗(yàn)。

史蒂芬是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)科學(xué)院和美國(guó)植物生物學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員及英國(guó)蘭開斯特大學(xué)皇家學(xué)會(huì)作物科學(xué)系教授研究員。他致力于了解光合作用及其在全球氣候變化下的適應(yīng)性，以提高生物能源和糧食作物的產(chǎn)量。他的成就包括發(fā)現(xiàn)已知的生產(chǎn)力最高的陸地植物——一種來自亞馬遜的草，以及開發(fā)了第一個(gè)完整的光合作用過程動(dòng)態(tài)模型，該模型現(xiàn)成為設(shè)計(jì)改進(jìn)光合作用的工具。他還將芒草確定為最具生產(chǎn)力的溫帶植物之一，因此芒草已成為歐洲和北美的主要可持續(xù)生物能源選擇。

史蒂芬

“我們認(rèn)為通過改良光合作用，有可能獲得高達(dá)50%的產(chǎn)量提高?！笔返俜艺f，“如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，那將稱得上綠色革命?！本G色革命是指由于作物品種和其他技術(shù)的改良，在20世紀(jì)50年代～60年代實(shí)現(xiàn)的農(nóng)作物大規(guī)模產(chǎn)量提高。

那么研究人員是如何對(duì)大豆進(jìn)行基因編輯提升光合效率的呢？

簡(jiǎn)言之，轉(zhuǎn)基因大豆具有更高的產(chǎn)量是因?yàn)樗鼈兏玫剡m應(yīng)“從光照到陰暗”的變化，反之亦然。

當(dāng)一片葉子處于充足的陽(yáng)光下時(shí)，它吸收的光能比其光合作用系統(tǒng)所能處理的光能要多，而這會(huì)損害植物細(xì)胞。這時(shí)，為了避免過多的光能損害，植物會(huì)開啟一種稱為“非光化學(xué)淬火（NPQ）”的機(jī)制來消散這些多余的能量。

NPQ機(jī)制使得植物吸收的光能不再被用于光合作用，而是直接轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)掉，從而避免植物遭到日照的傷害。它涉及通過增強(qiáng)內(nèi)部轉(zhuǎn)化為基態(tài)（非輻射衰變）來淬滅單線態(tài)激發(fā)態(tài)葉綠素（Chl），從而通過分子振動(dòng)無害地消散多余的激發(fā)能量作為熱量。當(dāng)光照強(qiáng)度恢復(fù)正常時(shí)，NPQ又會(huì)被關(guān)閉，以充分利用光能，植物重新回到正常的光合作用。NPQ幾乎存在于所有能進(jìn)行光合作用的真核生物中。

然而，大多數(shù)作物打開和關(guān)閉NPQ的過程相當(dāng)緩慢，并因此損失了大量能量。

史蒂芬說，目前還不確定為什么會(huì)這樣，可能是由于許多作物的野生祖先生長(zhǎng)在半干旱的條件下，密度較低，葉片較少受到遮擋。而現(xiàn)在，在栽種條件下它們生長(zhǎng)得非常緊密，太陽(yáng)當(dāng)空時(shí)，大多數(shù)葉子會(huì)受到其他葉片遮擋的影響。

能說明這一點(diǎn)的是，“一些野生植物，如蕨類植物，確實(shí)會(huì)更快地打開或關(guān)閉NPQ。”史蒂芬說。他的團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，在大豆中添加了參與NPQ過程的三個(gè)基因的額外拷貝，導(dǎo)致了更高水平的編碼蛋白、加速了NPQ關(guān)閉過程，使光合作用更有效。

這三個(gè)基因分別是AtVDE，AtPsbS和AtZEP（即VPZ）。其中，VPZ轉(zhuǎn)基因的過表達(dá)導(dǎo)致大豆產(chǎn)量顯著提高。在8個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)基因品系中，5個(gè)系的大豆產(chǎn)量顯著提高，且沒有品系產(chǎn)量降低。與野生大豆相比，這五個(gè)轉(zhuǎn)基因品系的產(chǎn)量平均增加24.5%，其中ND-18-34A品系的差異最大，高達(dá)33%。提高的產(chǎn)量得益于每株植物籽粒數(shù)量的提高。

值得注意的是，雖然“不給大豆作物施肥，但蛋白質(zhì)含量沒有改變。”史蒂芬說。這很重要，因?yàn)榇蠖故侨虻鞍踪|(zhì)的主要植物來源。

“這項(xiàng)研究非常令人興奮。”全球研究中心Breakthrough Institute高級(jí)糧食和農(nóng)業(yè)分析師艾瑪表示，農(nóng)業(yè)占所有溫室氣體排放量的三分之一，增產(chǎn)不僅有助于減少溫室氣體排放，而且通過減少森林砍伐，還有助于保護(hù)植物生物多樣性和野生動(dòng)物棲息地。

艾瑪此前估計(jì)，僅在美國(guó)，大豆作物的產(chǎn)量增加15%將減少相當(dāng)于1億噸二氧化碳的溫室氣體排放量。

“需要做出重大努力來改善作物，因?yàn)槲覀冎饕魑锏哪戤a(chǎn)量增長(zhǎng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，而除了面臨氣候變化外，世界人口還正在增長(zhǎng)?！庇?guó)埃塞克斯大學(xué)生物科學(xué)教授雷尼斯說，她的團(tuán)隊(duì)也正在研究另一種促進(jìn)光合作用的方法。

“我們還需要以可持續(xù)的方式提高產(chǎn)量，例如，就像這項(xiàng)研究表明的那樣，不需使用額外的氮肥?！崩啄崴拐f。

考慮到大多數(shù)作物不能像大豆和豇豆等擁有固氮能力的植物那樣“自制”氮肥，可能需要額外的肥料來配合光合作用的升級(jí)，蓋茨基金會(huì)也在資助賦予其他作物固氮能力的相關(guān)研究，以期產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益。