科学家打开作物增产地“任督二脉” 首次在田间获得超级烟草

如何满足日益增长的全球人口对粮食的需求？科学家们的一条思路是提高作物的生产力。其中，抑制光呼吸是研究热点之一，该过程会损耗大量光合作用积累下的能量。

1月4日，顶级学术期刊《科学》（Science）在线发表了一项最新研究：对植物进行生化途径的改造，在野外田间试验的烟草生产能力提高了逾40%，堪称打通“任督二脉”，成为了“超级作物”。该项研究由美国伊利诺伊大学卡尔R.沃兹基因组生物学研究所植物科学、作物科学教授Donald Ort教授团队及美国农业部的研究人员完成。

Donald Ort教授

该研究也是RIPE（研究增进光合作用效率方法的计划 Realizing Increased Photosynthetic Efficiency）的一部分。RIPE由伊利诺伊大学牵头，其项目成员单位包括美国农业部光合作用研究单位、英国艾斯克斯大学、英国兰卡斯特大学、澳大利亚国立大学、中国科学院上海植物生理生态研究所、澳大利亚联邦科工委、美国加州伯克利大学和美国路易斯安那大学，受比尔-梅琳达盖茨基金会（BMGF）等机构的支持。主要目标是通过工程改良提高主要农作物光合作用光能利用效率，进而提高作物产量可持续地提高全球粮食生产率。

在植物中，光合作用要求二磷酸核酮糖（RuBP）在RuBisCO酶（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的作用下发生羧化。然而，RuBisCO酶无法区分二氧化碳和氧气，在它的作用下，RuBP实际上参与了两种过程：生成能量获得碳素的卡尔文循环（光合作用中碳反应的一部分），以及消耗能量释放碳素的光呼吸。

在大多数的C3类植物中，如大豆、大米、小麦种，都存在着光呼吸作用。光呼吸也是植物进化出的一种自卫方式，可消除多余的NADPH和ATP，减少细胞受损的可能。一般来说，光呼吸会抵消掉30%的光合作用，因此也被称为“卡尔文循环中的漏逸”。

长久以来，科学家试图通过基因工程等方式，试图降低植物的光呼吸，为世界粮食问题提供解决方案。

“在美国中西部地区，我们每年可以用光呼吸所消耗的热量养活2亿人。”Ort 表示，“在全球范围内回收哪怕一部分热量，都将大大有助于满足21世纪快速增长的粮食需求。”

“光呼吸是一种反光合作用，”论文第一作者Paul South说，“它消耗了植物珍贵的能量和资源，而这些能量和资源本可以用于光合作用，以更好地生长和获得产量。”

作物原本的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。研究团队设计了三条替代光呼吸途径，以精简原本的通路。

研究人员利用合成生物的方法改变启动子基因组合。第一种替代通路精简为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。所有的酶在替代途径设计中均直接到叶绿体。团队还使用了RNA干扰技术（RNA interference, RNAi），用于下调光呼吸途径中的原生叶绿体糖醇盐转运体，从而抑制植物体内的原始通路。

左边4株为对照组，右边4株为改造植物。

在温室条件下，3种替代途径表现各异。和对照组相比，第一种途径下，植物的生物质增加了13%，第二种途径没有明显区别。第三种途径在没有使用RNA干扰技术的情况下，生物质就增长了18%。如果使用RNA干扰技术，这一增长还能上升到24%。

田间试验俯瞰图。

此外，研究团队还以烟草作为模型，在野外田间进行了实际测试。烟草是作物研究的理想模型植物，它比粮食作物更容易改造和测试、生命周期短、产生大量种子，并且具有与其他田间作物相似的叶冠。

研究人员通过两个不同生长季节、两年的野外实地研究发现，相比野生型对照组，经过基因改造的烟草（第三种替代途径）生物质提高了25%有余。如果使用RNA干扰技术，增长更是超过40%。同时，野外试验烟草的光合作用效率提高了17%。

田间试验。

论文中提到，这是第一次光呼吸基因改造在现实的农业条件下进行测试。

RIPE主任 Stephen Long将该捷径比喻为巴拿马运河，“这条运河大大提高了贸易效率，而光呼吸捷径是植物工程的一项壮举，是大大提高光合作用效率的独特手段。”

“随着温度升高，Rubisco更难从氧气中识别二氧化碳，这就会导致更多的光呼吸。”论文作者之一Amanda Cavanagh说，“我们的目标是构建更好的植物，能够承受目前和未来的高温，帮助获得满足人类粮食需求的技术。”目前，研究团队正在利用这些发现来提高大豆、豇豆、大米、土豆、番茄和茄子的产量。

不过，这项技术转化为粮食作物并获得监管机构批准可能还需要10多年时间。但研究团队称，RIPE及其支持机构致力于确保小农，尤其是撒哈拉以南非洲和东南亚的小农，他们将能够免费获得该项目的所有突破性成果。

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