Science重磅:增产最多40%!超级农作物要来了?
学术经纬 · 2019/01/04
2018年,全世界的人口达到了76亿。照这一趋势,在本世纪中期,全球人口总数将超过100亿。如果这一趋势成为现实,那么,一个很现实的问题就摆在了面前:谁来填饱我们的肚子?


▲100亿人口的肚子,怎么才能填饱?(图片来源:Pixabay)

本文转载自“学术经纬”。

饥饿距离城市居民来说,是一个非常陌生的词汇。但在科学家眼中,饥饿却可以预见。据估计,为了养活这100亿人口,到本世纪中叶,全世界的农业水平要比2005年提高60%-120%。

一个字:难。

但奇迹并非难以达成。在1960年到2005年的这45年里,全球作物产量从每公顷1.84吨,增加到了3.96吨,增幅达135%。背后的原因,在于杀虫剂和化肥的使用,高产量品种的培育,以及灌溉等技术的提升。


未来的农业,同样需要来自这些领域的突破。今天,发表在顶尖学术期刊《科学》上的一项研究,就带来了一个好消息。通过对植物进行生化通路的改造,生物学家们找到了一种带来超级农作物的方法。利用该方法,一部分实验植物增重超过了40%!

我们知道,植物是一种神奇的生物。从一颗种子,长成一棵参天大树,它的重量不知增加了几千几万倍。这些质量不是来自土壤,而是来自空气中的二氧化碳。

在植物中,存在一种叫做RuBisCO的酶。在光合作用时,这种酶能够把空气中的二氧化碳变成糖分,成为植物体内的有机组成部分。然而,这种酶却并非完美——它不但能识别二氧化碳,还能结合氧气。而它与氧气的结合,则会生成一种有毒的代谢产物。


▲光呼吸会造成能量的浪费(图片来源:参考资料[2])

为了不让自己中毒,植物不得不采用一种叫做光呼吸(photorespiration)的生化通路,进行“排毒”。但这毕竟需要消耗能量,而且消耗得还不少!此外,光合作用辛辛苦苦积累下来的生物质(biomass),也会损耗25%。据估计,对于大部分农作物而言,光呼吸所消耗的能量,对作物产量造成了20%-50%的损耗。

“仅仅在美国中西部,每年因为光呼吸而损失的卡路里,就能喂饱2亿人口。”本研究的负责人Donald Ort教授说道。


▲本研究的负责人Donald Ort教授(图片来源:伊利诺伊大学)

如果能杜绝这种浪费,不就有望增加植物的产量了吗?这正是研究人员们所着力的方向。我们知道,光呼吸是一条复杂的生化通路,涉及9个酶催化的步骤,反应还会发生在叶绿体、过氧化物酶体、以及线粒体等多个不同的部位。这种复杂的情况,要是能得到精简就好了。

研究人员们利用合成生物学的方法,设计了3种不同的“替代”通路。第一种替代通路里有5种酶,第二种替代通路里有3种酶,第三种替代通路只需要2种酶。此外,他们还使用了RNAi的方法,抑制植物体内的原始通路。


▲本研究设计的三种不同替代通路(图片来源:参考资料[1])

温室筛选的结果发现,3种替代通路有着截然不同的表现。第一种通路下,植物的生物质增加了13%,第二种通路则没有带来什么明显变化。有趣的是,第三种通路在没有使用RNAi的情况下,生物质就增长了18%。如果使用RNAi,这一增长还能上升到24%!


▲左边四棵为对照组,右边四棵为经过改造的植物,你能看出区别吗?(图片来源:Claire Benjamin/RIPE Project)

温室的环境得到了严格的控制,适合植物生长。在野外环境下,这些植物是否还能保持如此明显的增长?

事实上,在田野间生长的植物,比温室里长得还要好!研究人员们统计了两个生长季的生长数据,发现相比野生型,经过基因改造的植物(第三种通路),其生物质提高了25%有余。辅以RNAi,增长更是超过40%。


▲研究人员们在田间取样(图片来源:Claire Benjamin/RIPE Project)

研究人员们把这种替代通路比作是巴拿马运河。这条运河的存在,大大提高了贸易的效率。而他们所设计的替代通路,则在植物体内提高了代谢效率,有着异曲同工之妙。

目前,这项研究主要在烟草中完成。研究人员们乐观地表示,由于光呼吸通路在大多数植物中都存在,这一策略有望用于多种作物的改造,最终提高作物的产量。对于大豆、豇豆、水稻、土豆、番茄、以及茄子的改造,正在进行之中。

参考资料:

[1] Paul F. South et al. (2019), Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field, Science, DOI: 10.1126/science.aat9077

[2] Marion Eisenhut and Andreas P. M. Weber (2019), Improving crop yield, Science, DOI: 10.1126/science.aav8979

[3] Scientists engineer shortcut for photosynthetic glitch, boost crop growth by 40 percent, Retrieved January 3, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/crwi-ses122818.php

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