超級作物現(xiàn)曙光

淺草

抗干旱的龍舌蘭

在澳大利亞昆士蘭州的艾爾鎮(zhèn)附近，有一片不尋常的農(nóng)田。農(nóng)田里長著一種高大的植物，長長的肉質(zhì)葉子向四面八方伸展開去。這種作物叫藍(lán)色龍舌蘭，通常是制造烈性龍舌蘭酒的原料。但是在澳大利亞悉尼大學(xué)的丹尼爾·譚看來，它們是即將到來的全球農(nóng)業(yè)革命的一部分。

我們確實需要這樣一場農(nóng)業(yè)革命。隨著全球變暖，許多糧食作物的產(chǎn)量在降低，可是我們對糧食的需求卻與日俱增。有人預(yù)計，30年后地球人口將達(dá)到100億;為養(yǎng)活這么多人，我們需要多生產(chǎn)大約50%的糧食。

像剛?cè)ナ赖闹袊茖W(xué)家袁隆平，丹尼爾·譚也在致力于解決糧食問題。袁隆平試圖通過雜交來提高水稻的產(chǎn)量;而譚等人的解決方案更激進(jìn)，他們試圖改造植物的光合作用來達(dá)到目的。

說起光合作用，大家并不陌生，但鮮為人知的一個事實是，大多數(shù)植物的光合作用效率低得驚人。而有些植物，像龍舌蘭，卻具有超強的光合作用本領(lǐng)。所以，了解其中的秘密，關(guān)系到我們的未來。

假如世界上真有所謂的奇跡，那么植物的光合作用應(yīng)該就是奇跡之一。光合作用捕獲空氣中的CO，利用太陽光的能量，將其轉(zhuǎn)化為糖類……由于CO和太陽光取之不盡，所以植物能為我們源源不斷地提供食物。

但是，在贊嘆這一奇跡的時候，我們不要忽略這樣一個事實：在90%的植物（包括小麥、水稻和大豆）的光合作用中，太陽能的利用率最大僅有4.6%。

利用率低下要歸罪于一種叫做加氧酶（Rubisco）的蛋白。這種酶吸收CO分子，并將其與另一種化合物結(jié)合，形成一個含有三個碳原子的分子，作為生產(chǎn)糖的第一步——因此，這叫C3版的光合作用（下面可以看到，還有另兩個版本的光合作用）。問題是，在C3版的光合作用中，40%的時間里加氧酶都在“走神”，不是去吸收CO，而是去吸收氧氣，這就白白浪費了太陽能。當(dāng)植物關(guān)閉葉子上的氣孔以防止水分流失時，問題變得更糟，因為沒有了CO的參與，光合作用幾乎停止。

但是，當(dāng)我們嗔怨大自然為什么不能做得更好些的時候，假如大自然能說話，它一定會如是回答：我哪想得到世界變化這么快！30多億年前，當(dāng)植物進(jìn)化出光合作用的時候，這根本不是個問題。那時地球大氣中富含CO，幾乎不含氧氣。加氧酶根本沒有“走神”的誘惑。但是具有諷刺意味的是，由于植物的光合作用，后來大氣中的氧氣變得越來越豐富，如今反而成為光合作用的一個障礙。

CAM作物離你并不遙遠(yuǎn)

對原產(chǎn)于南美洲的龍舌蘭、刺梨仙人掌，讀者可能還比較陌生，但事實上它們經(jīng)常會以其他方式出現(xiàn)在你的餐桌上。

龍舌蘭可制造龍舌蘭糖漿。這是一種時髦的甜味劑，可以替代糖。龍舌蘭的莖可以被烤著吃，種子可以被磨成無麩質(zhì)粉。發(fā)酵的龍舌蘭汁液可以用來制作龍舌蘭酒。

刺梨仙人掌含有豐富的碳水化合物、礦物質(zhì)和維生素。它的莖可以像四季豆一樣烹調(diào)。仙人掌上長的刺梨，是墨西哥第六大最受歡迎的水果。

刺梨還含有果膠，經(jīng)常在加工食品中用作增稠劑。

不過，在過去的1億年里，一些植物已經(jīng)找到了變通的辦法，進(jìn)化出一個被稱為C4版的光合作用。C4版將C3版的光合作用場所一分為二：首先，它在葉肉的海綿狀細(xì)胞中捕獲CO分子，產(chǎn)生一個四碳分子;然后，這種四碳分子通過特殊的渠道被輸送到葉脈周圍的細(xì)胞中，在那里被分解，再次釋放出CO。只有到這時，加氧酶才參與進(jìn)來。由于再次釋放的CO濃度提高了，加氧酶“分心”的機會減少，所以太陽能的利用率就提高了。除此之外，C4植物的光合作用“廠房”——葉綠體——也“擴建”了，比C3植物的葉綠體要大，這也給它們帶來了更多的動力。

這樣的好處是明顯的。譬如，雖然C4植物只占植物物種的4%，但它們生產(chǎn)的生物質(zhì)卻占23%。常見的C4作物包括玉米、高粱和甘蔗等農(nóng)作物，以及狗尾草、白茅等雜草。

在知道了光合作用的兩個版本之后，我們當(dāng)然希望更多的農(nóng)作物從C3版升級到C4版，而基因工程使這一夢想有了實現(xiàn)的可能。

世界上一半人口的主食是大米，而水稻是一種C3作物。2008年啟動的國際合作——C4水稻項目，就旨在將水稻轉(zhuǎn)變?yōu)镃4作物。

水稻的葉片由于缺乏C4植物的特殊結(jié)構(gòu)，需要在其基因組中插入20～30個新基因來重新塑造。2017年，項目組宣布已經(jīng)在實驗室創(chuàng)造出了一個C4水稻物種，它的產(chǎn)量比傳統(tǒng)水稻高50%，預(yù)計將于2030年進(jìn)入田間試驗階段。

C3植物、C4植物和CAM植物的光合作用

盡管C4水稻項目雄心勃勃，但是這還不夠。隨著氣候的變化，我們不僅需要能更有效地生產(chǎn)糧食的作物，還需要作物在更苛刻的條件下進(jìn)行生產(chǎn)糧食。在全球氣候危機的背景下，水將成為農(nóng)業(yè)的限制因素。據(jù)預(yù)測，在未來的一個世紀(jì)里，干旱將蹂躪許多半干旱地區(qū)。屆時，過分依賴灌溉的水稻將無法生長。

然而，抵抗干旱的招數(shù)也早已存在于自然界中。約有7%的植物物種使用了第三個版本的光合作用，稱為“景天酸代謝（CAM）”。前文提到的藍(lán)色龍舌蘭就是其中一種，其他還包括菠蘿、蘆薈和香草蘭等植物。

與C4版的光合作用一樣，CAM版的光合作用也是通過預(yù)先提高CO的濃度，來減少加氧酶“走神”的。所不同的是，C4植物將光合作用的場所分開，而CAM植物將其在時間上分開。與大多數(shù)植物不同，CAM植物只在夜晚涼爽的時候才打開氣孔捕獲CO。它們先將CO儲存起來，待到太陽升起，氣孔關(guān)閉以防止水分流失時，才利用儲存的CO進(jìn)行光合作用。由于這些適應(yīng)性，CAM植物對水的需求只及最耐旱的C3和C4作物的20%。

作為一種CAM植物，在拉美地區(qū)龍舌蘭長期以來一直被用作食品，但它們正越來越多地被種植在新地方，并用于不尋常的目的。譚在昆士蘭州種植龍舌蘭，是為了測試其被用來生產(chǎn)生物質(zhì)燃料的可行性。在世界許多地方，生物質(zhì)燃料被視為液體化石燃料的替代品。玉米、甘蔗認(rèn)為是生產(chǎn)生物質(zhì)燃料的較理想的作物，但由于種植它們需要土地、水和其他資源，因此也存在爭議。

譚和他的同事最近發(fā)表了一份關(guān)于用龍舌蘭生產(chǎn)乙醇的評估報告。他們發(fā)現(xiàn)，與用玉米生產(chǎn)乙醇相比，用龍舌蘭生產(chǎn)乙醇對全球變暖的影響低60%，比用甘蔗生產(chǎn)乙醇低30%。此外，種植龍舌蘭不需要灌溉，不會與人類爭奪水資源;也不需要殺蟲劑，對環(huán)境無污染。

龍舌蘭并不是唯一具有潛力的CAM作物。原產(chǎn)于美洲的刺梨仙人掌，同樣可用于生產(chǎn)食品、動物飼料、乙醇和沼氣。這種仙人掌在氣溫保持在零度以上的地方都能生長。這意味著，全球不適合種植其他作物的五分之一土地都可以用來種植它。實地試驗表明，一公頃的刺梨仙人掌每年的產(chǎn)量與玉米、甘蔗相當(dāng)。

即使你不使用CAM植物做任何特別的事情，它們也值得擁有。由刺梨仙人掌組成的樹籬可以防止水土流失，并提高土壤的含氮量。在南非，過去幾年出現(xiàn)了極端干旱，一些農(nóng)民正在種植另一種稱作馬齒莧樹的CAM作物，以恢復(fù)土地的肥力。

一些人在想，我們是否可以更進(jìn)一步，進(jìn)行類似于C4水稻的實驗，將普通糧食作物升級為CAM版的抗旱作物呢？

在過去的五年里，科學(xué)家已經(jīng)對幾種CAM植物的基因組進(jìn)行了測序。但前面的路還很長，因為我們對CAM光合作用的一些重要細(xì)節(jié)仍不清楚。目前，科學(xué)家正在全力開發(fā)一種CAM大豆。樂觀地估計，未來五年內(nèi)我們將會擁有一個CAM版的大豆品種。

與此同時，地球上越來越多的半干旱土地將被種植上龍舌蘭等作物。我們對它們高大的身影將更加熟悉。