科學家破解植物光合作用,有望使作物產量提高40%的超級農作物要來了

科學家破解植物光合作用,有望使作物產量提高40%的超級農作物要來了

2018年,全世界的人口達到了76億。照這一趨勢,在本世紀中期,全球人口總數將超過100億。如果這一趨勢成為現實,那麼,一個很現實的問題就擺在了面前:誰來填飽我們的肚子?飢餓距離城市居民來說,是一個非常陌生的詞彙。但在科學家眼中,飢餓卻可以預見。據估計,為了養活這100億人口,到本世紀中葉,全世界的農業水準要比2005年提高60%~120%。

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100億人口的肚子,怎麼才能填飽?

一個字:難。

但奇蹟並非難以達成。在1960年到2005年的這45年裡,全球作物產量從每公頃1.84噸,增加到了3.96噸,增幅達135%。背後的原因,在於殺蟲劑和化學肥料的使用,高產量品種的培育,以及灌溉等技術的提升。

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未來的農業,同樣需要來自這些領域的突破。今天,發表在頂尖學術期刊《科學》上的一項研究,就帶來了一個好消息。透過對植物進行生化通路的改造,生物學家們找到了一種帶來超級農作物的方法。利用該方法,一部分實驗植物增重超過了40%!

我們知道,植物是一種神奇的生物。從一顆種子,長成一棵參天大樹,它的重量不知增加了幾千幾萬倍。這些質量不是來自土壤,而是來自空氣中的二氧化碳。

在植物中,存在一種叫做RuBisCO的酶。在光合作用時,這種酶能夠把空氣中的二氧化碳變成糖分,成為植物體內的有機組成部分。然而,這種酶卻並非完美——它不但能辨識二氧化碳,還能結合氧氣。而它與氧氣的結合,則會生成一種有毒的代謝產物。

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為了不讓自己中毒,植物不得不採用一種叫做光呼吸(photorespiration)的生化通路,進行「排毒」。但這畢竟需要消耗能量,而且消耗得還不少!此外,光合作用辛辛苦苦積累下來的生物質(biomass),也會損耗25%。據估計,對於大部分農作物而言,光呼吸所消耗的能量,對作物產量造成了20%~50%的損耗。

「僅僅在美國中西部,每年因為光呼吸而損失的卡路里,就能餵飽2億人口。」本研究的負責人Donald Ort教授說道。

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如果能杜絕這種浪費,不就有望增加植物的產量了嗎?這正是研究人員們所著力的方向。我們知道,光呼吸是一條複雜的生化通路,涉及9個酶催化的步驟,反應還會發生在葉綠體、過氧化物酶體、以及線粒體等多個不同的部位。這種複雜的情況,要是能得到精簡就好了。

研究人員們利用合成生物學的方法,設計了3種不同的「替代」通路。第一種替代通路里有5種酶,第二種替代通路里有3種酶,第三種替代通路只需要2種酶。此外,他們還使用了RNAi的方法,抑制植物體內的原始通路。

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溫室篩選的結果發現,3種替代通路有著截然不同的表現。第一種通路下,植物的生物質增加了13%,第二種通路則沒有帶來什麼明顯變化。有趣的是,第三種通路在沒有使用RNAi的情況下,生物質就增長了18%。如果使用RNAi,這一增長還能上升到24%!

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溫室的環境得到了嚴格的控制,適合植物生長。在野外環境下,這些植物是否還能保持如此明顯的增長?

事實上,在田野間生長的植物,比溫室里長得還要好!研究人員們統計了兩個生長季的生長數據,發現相比野生型,經過基因改造的植物(第三種通路),其生物質提高了25%有餘。輔以RNAi,增長更是超過40%。

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研究人員們把這種替代通路比作是巴拿馬運河。這條運河的存在,大大提高了貿易的效率。而他們所設計的替代通路,則在植物體內提高了代謝效率,有著異曲同工之妙。

目前,這項研究主要在菸草中完成。研究人員們樂觀地表示,由於光呼吸通路在大多數植物中都存在,這一策略有望用於多種作物的改造,最終提高作物的產量。對於大豆、豇豆、水稻、馬鈴薯、番茄、以及茄子的改造,正在進行之中。

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