光合作用2.0能否解決糧食危機？

伊麗莎白·科爾伯特

科研人員發(fā)現(xiàn)，植物與生俱來的光合作用效率很低，他們或許可以借助基因改造等手段提高光合作用效率，從而提升糧食產(chǎn)量。

| 光合作用的起源 |

故事要從20億年前說起，那時的地球自轉(zhuǎn)更快，太陽每隔21小時就會升起一次。最初的大陸還處在形成階段，地球表面絕大部分是海，海水中生活著微生物，其中一類名為“藻青菌”的微生物發(fā)生了一種強大而獨特的化學(xué)反應(yīng)。多虧了這種反應(yīng)，藻青菌可以依靠陽光生存，將陽光轉(zhuǎn)化為糖。與此同時，這一反應(yīng)還產(chǎn)生了一種藻青菌用不上的副產(chǎn)品：氧氣。藻青菌到處都有，又善于運用這種反應(yīng)，最后竟然慢慢改變了世界。它先是改變了海洋的化學(xué)組成，隨后又改變了大氣的化學(xué)組成。氧氣過去是“緊俏貨”，但藻青菌讓氧氣變成了“大路貨”。無法忍受氧氣的生物要么滅絕了，要么躲到了沒有氧氣的陰暗角落。

一天，一個有機物吃掉了一個藻青菌。藻青菌非但沒死，還在有機物里安了家。這一看似離譜的巧合將生命引向了新的方向。光合作用的秘密就這樣被這個有機物獲取了，而這個有機物又是藻類植物的祖先，這也是為什么藻類植物會光合作用。

經(jīng)過10億年的漫長歲月，地球的自轉(zhuǎn)速度降了下來，幾塊大陸先是撞到一起形成了羅迪尼亞超大陸，隨后再次分家。藻類植物在這個過程中進化出了不同的種類：一部分藻類繼續(xù)在水中生活，另一部分則慢慢扎根陸地。再后來，就有了今日蕨類植物和蘚類植物的祖先。那時的地球不缺空蕩蕩的土地，陽光更是到處都有，借用一位植物學(xué)家的說法，植物自然會覺得陸上生活“難以抗拒”。它們舒展枝葉，越長越高。植物崛起為植食動物的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。到了石炭紀，高大的植物隨處可見，穿梭其中的飛蟲，翼展可達0.6米。

兩億年后，到了白堊紀早期，地球上出現(xiàn)了會開花的植物，它們很快取代了上一代植物的統(tǒng)治地位。植物雖然很早就出現(xiàn)了，但植物從頭到尾的求生之道與最初那個吸收藻青菌的藻類植物祖先是一致的。無盡的歲月中，植物都是依托光合作用生存。1萬年前，人類開始馴化植物，再后來，人類學(xué)會了灌溉、施肥，掌握了雜交技術(shù)，但這些人為干預(yù)并沒有改變植物光合作用的特性。

| 低效的光合作用 |

伊利諾伊大學(xué)厄巴納–香檳分校的斯蒂芬·隆教授是生物學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)的專家，同時也是“提升光合作用效率”項目的負責(zé)人。該項目立項的前提是，光合作用的效率或許還有提升空間。

葉綠體是植物光合作用的“工作間”，吸收光時會引發(fā)光反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。這一系列反應(yīng)的媒介是蛋白質(zhì)，反應(yīng)如何發(fā)生也早就刻在了基因里。第一系列的反應(yīng)結(jié)束后，第二系列的反應(yīng)會用化學(xué)能來組建碳水化合物，這一過程需要調(diào)動更多的蛋白質(zhì)。光合作用是一種非常復(fù)雜的生物過程，隆研究之初，光合作用的許多方面還是個謎，后來他帶領(lǐng)團隊借助新的分子工具，一點點破解了謎題。他們發(fā)現(xiàn)，光合作用總共包括150多個步驟，牽扯到的基因大概也是150多個。

隆對光合作用錯綜復(fù)雜的過程了解得越多，就越能體會到這一過程的低效。有人喜歡拿光合作用和光伏電池發(fā)電作比較：市面上的光伏電池能把兩成左右的太陽光轉(zhuǎn)化為電能，研究員在實驗室更是能做到近五成的轉(zhuǎn)化率，而植物只能轉(zhuǎn)化1%左右的太陽光。這種比較從生物學(xué)角度來講并不公平：植物的結(jié)構(gòu)是天生的，光伏電池則是人類消耗其他能源制造出來的；植物可以儲存自己的能量，光伏發(fā)電則需要獨立的電池儲存電能。也有研究員考慮到了這些，但他們計算后發(fā)現(xiàn)，輸家仍是植物。

隆最早在英國埃塞克斯大學(xué)任教。他那時就堅信，如果能精簡優(yōu)化光合作用的過程，那植物必定大有可為。這將為農(nóng)業(yè)帶來了不得的變化，這意味著人類或許可以創(chuàng)造新品種，用更少的種植面積換取更多的糧食。隆說：“我們很清楚，哪怕是產(chǎn)量最高的農(nóng)作物，也只是利用了光合作用潛能的很小一部分。我們?nèi)绻苷页鎏嵘夂献饔眯实姆椒?，就能提高產(chǎn)量?！?/p>

有的生物學(xué)家對此持懷疑態(tài)度。他們認為，光合作用如果真的有提升空間，過去幾億年的漫長時光，植物自己早該碰到了。隆表示，這一思路是有問題的，進化的迫切需求是活下去，而非尋找最優(yōu)解。對植物來說，光合作用夠用即可?！斑M化并不是為了提高生產(chǎn)力，”他說，“而是為了把基因傳遞給下一代?！?/p>

| 項目從無到有 |

1999年，隆決定創(chuàng)造新的光合作用。此時，他任教的大學(xué)變?yōu)榱艘晾Z伊大學(xué)。該校研究人員此前有過不少與光合作用相關(guān)的重大發(fā)現(xiàn)。隆的設(shè)想是用計算機搭建模型，一對一地模擬光合作用的150多個步驟。他嘗試了好幾年，但不是這兒出問題就是那兒出問題。

這一設(shè)想最后能走下去，多虧了美國航空航天局一位研究導(dǎo)彈引擎的計算機科學(xué)家。“他告訴我，‘我也遇到過一模一樣的問題，我是這樣解決的。’”隆回憶道，“我們跟他合作，按他的思路試了一下，果然成了！”光合作用過于復(fù)雜，牽扯到的數(shù)學(xué)運算自然也非常復(fù)雜。光是模擬一片樹葉幾分鐘的變化，電腦就要完成數(shù)百萬次的計算。

模型順利運行意味著隆不用種就能制造出屬于他的新葉子。他可以借助模型探究光合作用的短板，測試可能的解決方案。舉例來說，某個基因會生成某種特定的酶，他可以試著讓基因產(chǎn)生更多的這種酶。這樣的嘗試能否提升光合作用的效率呢？還是說，它會讓光合作用出問題？模型能幫助他計算這些人為干預(yù)的結(jié)果?！爱?dāng)然了，100次嘗試，有99次都會讓事情變得更糟?！甭≌f。

好在100次嘗試，有1次成功就夠了。隆發(fā)現(xiàn)，光合作用的一些步驟被調(diào)整后，效率確實有所提升。2006年，他發(fā)表了一篇文章，列舉了六種提升光合作用效率的可能性。他的想法引起了不少人的關(guān)注，其中包括比爾及梅琳達·蓋茨基金會的高層。2012年，基金會為隆和他的團隊提供了2500萬美元的資金，“提升光合作用效率”項目就此成立。之后，項目還得到了其他基金會的支持。

“要想解決全球糧食危機，我們需要多種創(chuàng)新?！北葼枴どw茨在一封電子郵件中寫道，“為了提高產(chǎn)量，我們還需要足以改變游戲規(guī)則的重大突破?！?/p>

| 光合作用2.0 |

隆2006年發(fā)現(xiàn)的六種可能性中，有一條提到了“非光化學(xué)猝滅”。植物跟我們一樣，都需要陽光，但陽光太多了也不行。非光化學(xué)猝滅是植物保護自己的方式，陽光過多，植物可以借助這種反應(yīng)將多余的光以熱量的形式散失掉。不過，非光化學(xué)猝滅不夠靈敏，一旦啟動，一時半會很難停下來，即使光照不足了，還是會繼續(xù)進行一陣子。隆的模型表明，我們可以借助基因改造的手段，讓非光化學(xué)猝滅變得更加靈敏。

研究人員用煙草測試了這一假設(shè)的可行性。他們給煙草嵌入三種基因，而后在溫室種植。相比正常的煙草，這些轉(zhuǎn)基因煙草確實長得更快，產(chǎn)量也更高。隨后，他們將轉(zhuǎn)基因煙草種到了試驗田。結(jié)果顯示，相比對照組，轉(zhuǎn)基因組的產(chǎn)量要高20%。

我在厄巴納期間，隆帶我參觀了他的試驗田。那是夏天最熱的幾天，為了避免受罪，我們約到了早上8點。試驗田有好幾座45米高的鐵塔，上面搭設(shè)了電線還有傳感器。這些傳感器可以發(fā)射激光束和感應(yīng)紅外線，其功能是跟蹤記錄植物每天的變化。

隆帶我走到了一片被電網(wǎng)圍起來的試驗田。這片土地被分割成了40塊同樣大小的長方形區(qū)域，每一塊都插著白色標簽。田里種著各個品種的大豆，基因調(diào)整的方式與前文提到的煙草一致，目的也一樣，都是為了讓非光化學(xué)猝滅變得更加靈敏?！翱赡苁腔糜X，但我覺得確實長高了一些?！彼麖澭戳丝创蠖梗暗搅诉@個階段，一定要非常小心?！?/p>

另一片試驗田種著煙草，個頭不高。隆說，這一片主要是為了解決光合作用的另一個累贅，這個累贅和核酮糖二磷酸羧化酶有關(guān)。

植物制造糖，原料是空氣中的二氧化碳，而核酮糖二磷酸羧化酶的主要任務(wù)就是抓取二氧化碳，可以說是植物制造糖的第一步。但是，和非光化學(xué)猝滅一樣，核酮糖二磷酸羧化酶也有慢半拍的特點，更糟糕的是，它還經(jīng)常犯錯。工廠流水線上的工人有時會拿錯零件，核酮糖二磷酸羧化酶也會犯同樣的錯誤，本應(yīng)抓取二氧化碳，卻抓成了氧氣。這種酶一旦抓取了氧氣，植物就會生成有毒物質(zhì)，之后還要設(shè)法分解有毒物質(zhì)。植物為這一連串動作付出了極大的代價，據(jù)估計，光合作用的效率因此折損了四成。隆的團隊借助細菌和藻類植物的基因，有望縮短植物分解有毒物質(zhì)的過程。

隨后，我們乘車駛離試驗田，下車后，我眼前是一個巨大的溫室。進去前，我們穿上了白大褂和無菌鞋?？块T的位置擺放著一些用玻璃紙包裹的煙草，溫室內(nèi)剩余的空間是一排排看上去像硬盤播放機的設(shè)備。我問了才知道，這些是高靈敏度的秤，連著高精度的灌溉系統(tǒng)。研究人員將植物樣本放到秤上，能夠精確控制澆水量，并準確稱出植物的個頭變化。溫室可以同時測試400個樣本，哪種轉(zhuǎn)基因的效果最好，很快就能測出來。工作人員撥動了一個開關(guān)，腳手架上的攝像頭跟著動了起來，這些攝像頭會持續(xù)拍攝樣本的生長過程，哪怕是葉子彎曲程度的變化，也可以拍得一清二楚。

自2012年成立以來，“提升光合作用效率”項目規(guī)模越做越大，至今已有近百名研究員，工作區(qū)域涉及四個洲。除了非光化學(xué)猝滅和核酮糖二磷酸羧化酶外，隆還希望能夠找到其他提高光合作用效率的突破口。他下一步想修改一些重要農(nóng)作物的基因，比如土豆、玉米、豇豆和木薯。

| 將水稻培育成碳四植物 |

大約3000萬年前，有一株植物掌握了一種提升光合作用效率的技巧。這一技巧在光合作用原有步驟的基礎(chǔ)上加了新步驟，即將二氧化碳聚集在核酮糖二磷酸羧化酶周邊。如此一來，這種酶就不會犯錯誤，抓取氧氣了。這一招雖然消耗了植物的部分能量，但總體而言還是利大于弊，因此很多植物都跟著效仿了起來。這種光合作用被稱為“碳四途徑”，一般的光合作用則被稱為“碳三途徑”。世界上有不少糧食作物屬于碳四植物，其中包括玉米、小米和高粱，還有很多草類也是碳四植物，比如馬唐和風(fēng)滾草。

相比碳三植物，碳四植物還有省水省氮的優(yōu)勢，省氮意味著省肥料。水稻屬于碳三植物，但在27年前，植物生理學(xué)家約翰·希伊提出了將水稻改為碳四植物的想法。當(dāng)時，許多人都覺得他異想天開。1999年，他組織了一場會議，正式提出了自己的想法，參會者普遍認為這一想法完全沒法實現(xiàn)。希伊并沒有放棄，2006年，他再次召集會議，這一次，不少參會者覺得希伊的設(shè)想值得一試，劍橋大學(xué)的簡·蘭代爾就是其中之一。她說：“大家當(dāng)時有一種機不可失的感覺。”碳四水稻項目就這樣成立了，如今，蘭代爾是該項目的負責(zé)人。

“提升光合作用效率”項目和碳四水稻項目可以被視為“用21世紀的手段解決21世紀的問題”。不論是福是禍，人類現(xiàn)在確實有能力對基因“動手腳”。如果我們能提升光合作用的效率，或者讓糧食作物在這一過程中少出差錯，我們自然可以減投增收。果真如此，受益的將不僅僅是人類，其他物種的棲息地也能得以保存?？的螤柎髮W(xué)教授愛德華·馬巴亞告訴我：“20年后，這一技術(shù)將帶來巨大變化。”

不過，從很多角度看，21世紀的問題其實是19世紀和20世紀的遺留問題，我們很難說新工具就一定比過去的工具有效。馬巴亞告訴我，撒哈拉以南非洲地區(qū)的研究人員已經(jīng)采用常規(guī)育種方式培育出了許多優(yōu)秀的新品種?！暗牵蟛糠中缕贩N都逃不過被束之高閣的命運?！彼f，“這些種子壓根到不了農(nóng)民手里?！?/p>

堪薩斯州立大學(xué)的農(nóng)業(yè)科學(xué)家巴拉·普拉薩德也說過類似的話。我們并不缺好品種，但很多農(nóng)民就是不種這些品種。有的是因為種不起，比如雜交作物收獲的果實沒法當(dāng)種子用，農(nóng)民每年都得重新購買種子。按理說，雜交作物產(chǎn)量高，其收益完全可以覆蓋購買種子的支出，但農(nóng)民拿不出足夠的現(xiàn)金。普拉薩德說：“我們一個勁地討論技術(shù)，卻總是忽略了社會層面的問題?！?/p>

植物病理學(xué)家諾曼·博洛格是諾貝爾和平獎獲得者，他認為，我們要警惕技術(shù)可以解決一切社會問題的觀點。博洛格說過這樣一句話：“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)沒有奇跡?！本退慵Z食產(chǎn)量可以跟上人口增長的速度，分配問題依然存在。當(dāng)今社會，有人富得流油，有人卻連自己的孩子都喂不飽。博洛格為此感慨，“時至今日，地球上仍然存在兩個天差地別的世界，這真是個悲劇?！?/p>

[編譯自美國《紐約客》]

編輯：要媛