轉(zhuǎn)運蛋白：農(nóng)作物的生長 “調(diào)理師”

近日，全球12位著名的植物生物學(xué)家在5月2日出版的《自然》雜志上指出，他們最近發(fā)現(xiàn)了植物轉(zhuǎn)運蛋白的重要屬性，轉(zhuǎn)運蛋白不僅會穿過農(nóng)作物的生物膜來對抗有毒的金屬和昆蟲，也能提高農(nóng)作物的抗鹽性和耐旱性、控制水分流失并存儲糖分，最新發(fā)現(xiàn)將對全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，有助于滿足不斷增加的全球人口對食物和能源的渴求。

農(nóng)業(yè)發(fā)展亟須新思路

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的生物教授朱利安·施羅德說：“全球目前70億人中有10億人營養(yǎng)不良，缺乏充足的蛋白質(zhì)和碳水化合物；還有10億人營養(yǎng)失調(diào)，缺乏鐵、鋅和維生素A等微量營養(yǎng)素。這些飲食缺陷不僅導(dǎo)致人們?nèi)菀赘腥静㈩净技膊。乙苍黾恿祟净季窦膊〉娘L(fēng)險。2050年，全球人口可能高達(dá)90億。人口激增、城市化水平不斷提升、發(fā)展中國家對蛋白質(zhì)的需求不斷增加、氣候變暖的風(fēng)險不斷加劇等諸多因素交織在一起，將給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來沉重的壓力?！?/p>

參與最新研究的其他科學(xué)家們補充道：“僅僅通過增加無機化肥的使用和水供應(yīng)或在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域采用有機耕作系統(tǒng)，無法同時有效地完成提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展這兩大重要任務(wù)。要想在有限的土地資源上獲得更多糧食，應(yīng)該讓創(chuàng)新性的農(nóng)業(yè)實踐和對農(nóng)作物的遺傳改進雙管齊下才行。”

鈉轉(zhuǎn)運蛋白讓植物更耐鹽分

施羅德表示：“膜轉(zhuǎn)運蛋白是一種專用蛋白，植物用它來從土壤中吸取營養(yǎng)；運送糖分并對抗食鹽和鋁等有毒物質(zhì)?！?/p>

在一項研究中，施羅德在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種鈉轉(zhuǎn)運蛋白，這種轉(zhuǎn)運蛋白在保護植物免受鹽分脅迫方面起關(guān)鍵作用，鹽分脅迫會導(dǎo)致種植在灌溉土地上的農(nóng)作物大幅減產(chǎn)。科學(xué)家們解釋道：“鹽漬土是一個主要問題，因為一旦鈉離子進入葉子部位，就會影響光合作用等重要的生物過程?！睋?jù)報道，目前鹽分脅迫已經(jīng)影響了全球超過五分之一的農(nóng)業(yè)用地，而且，隨著氣候變化，鹽分脅迫還將對糧食生產(chǎn)產(chǎn)生越來越多的威脅，耐鹽作物將是確保糧食安全的一個重要手段。

澳大利亞科工組織植物產(chǎn)業(yè)部的女科學(xué)家拉娜·穆勒斯和同事現(xiàn)在已經(jīng)將這種鈉轉(zhuǎn)運蛋白用于育種研究中，對小麥作物進行了遺傳學(xué)處理，讓其更耐鹽分脅迫。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，新的耐鹽小麥品系與正常小麥品系的產(chǎn)量沒有差別，但是在鹽分脅迫環(huán)境中，耐鹽小麥則能將產(chǎn)量提高25%。

研究人員表示，這項研究將有助于改善全球目前僅6%的地方能種植小麥這一問題，日后，許多高鹽地區(qū)亦能種植耐鹽小麥，可以說是經(jīng)濟價值與研究意義兼具。

酸性土壤也不怕

而《自然》雜志這篇文章的另一聯(lián)合作者、澳大利亞的伊曼紐爾·德爾海茲和美國康奈爾大學(xué)的植物生理學(xué)家利昂·科其恩的最新發(fā)現(xiàn)則有望讓人們在全球30%的酸性土壤中種植農(nóng)作物成為可能。

科學(xué)家們表示：“鋁是土壤中第三大元素，當(dāng)土壤呈酸性時，土壤中的鋁離子會釋放出來，導(dǎo)致植物中毒。一旦在土壤中溶解，鋁會破壞植物脆弱的根尖，抑制根部的生長，破壞植物根部對水和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收?！睋?jù)悉，鋁毒性是制約農(nóng)作物產(chǎn)量的一個重要因素，影響了全球大約50%的耕地面積。

在最新研究中，科學(xué)家們理清了轉(zhuǎn)運蛋白控制這一過程的機制，從而使植物根部能耐受有毒的鋁。他們表示，通過對農(nóng)作物進行遺傳學(xué)處理，可以去除鋁離子的毒性，這將有助于現(xiàn)在無法利用的或者貧瘠的酸性土壤“變身”為肥沃的農(nóng)田，為人類產(chǎn)出更多可以作為食物和生物燃料的農(nóng)作物。

也有生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)有些轉(zhuǎn)運蛋白能增加農(nóng)作物中鐵和鋅的含量，從而讓農(nóng)作物變得更有營養(yǎng)。

更好地吸收磷酸鹽

同時，科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)了植物和共生的土壤真菌中存在著一些使植物能更有效地吸取磷酸鹽和氮肥的轉(zhuǎn)運蛋白。磷酸鹽對農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量至關(guān)重要，氮肥的制造成本非常高。

他們表示：“制造氮肥消耗的能源占全球能源使用總量的1%，而且，對很多農(nóng)作物來說，氮肥是最高的種植成本。然而，農(nóng)作物對磷酸鹽和氮肥的吸收利用率分別只有20%到30%、30%到50%。剩下的磷酸鹽和氮肥會產(chǎn)生讓全球變暖加劇的二氧化碳，也可能流入水中讓水生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化?！?/p>

在葉子表皮，植物通過光合作用會失去90%的水分，這些生物學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)，有些轉(zhuǎn)運蛋白可以調(diào)節(jié)葉子表皮的“氣孔”，這就可以提高在水中種植的作物的產(chǎn)量。

農(nóng)業(yè)科學(xué)家們目前孜孜奮斗的兩個目標(biāo)是，增加農(nóng)作物的碳水化合物的含量和提高抗蟲性。最新的轉(zhuǎn)運蛋白研究中，科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)運蛋白可以讓糖分遍布整個農(nóng)作物，據(jù)此研發(fā)出的新品種水稻植物將具有很好的抗蟲性。這種簡單的方法可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和抗蟲性，減少殺蟲劑的使用。

英國約翰英納斯中心的主任、該研究的通訊作者戴爾·桑德斯表示：“就像手機需要更先進的技術(shù)來攜帶更多信息一樣，植物也需要更好的或者新的轉(zhuǎn)運蛋白來使它們在現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)土地上表現(xiàn)得更好。目前的解決辦法是使用合成肥料和殺蟲劑，但是，我們可以讓植物通過自身就擁有的元素來表現(xiàn)得更好?！?/p>

施羅德表示，最近這些與植物轉(zhuǎn)運蛋白有關(guān)的生物學(xué)研究有望使得人們獲得更好的農(nóng)作物品種，它們在嚴(yán)苛的環(huán)境下可以表現(xiàn)得更好，且更有營養(yǎng)。