降低稻田碳排放，大麥基因來幫忙

飛雪

從我國長江中下游及以南的丘陵地區，向南一直延伸到印度平原和東南亞熱帶雨林，一塊塊的水田是這些地區最為典型的農耕風貌。而這些總面積達十余億畝的水田中種植的水稻，是這片集中著近世界三分之一人口的地區最為主要的糧食來源。

然而，就在這些水稻為人們提供寶貴熱量的同時，它們同時也在為地球“加熱”。種植水稻會釋放巨量的甲烷到大氣中，而甲烷則是二氧化碳之外最為主要的溫室氣體。于是，如何減少水稻種植中的甲烷排放成為了農業工作者的重要研究對象。

發表在《自然》的一篇論文提出了在不減少甚至增加水稻淀粉產量的基礎上，減少種植過程甲烷排放的方法。而這一成果的關鍵技術，就是借用了一套來源于大麥的基因。

稻田：巨大的碳排放源

盡管從總量上來說，排放到大氣中的甲烷遠少于二氧化碳，但是由于甲烷的溫室氣體效應比二氧化碳高30余倍，因此甲烷依然為工業化以來的全球變暖作出了約20%的“貢獻”——而在這些進入大氣的甲烷中，有7%～17%是由稻田釋放的。根據測算，全球每年從稻田中逸出的甲烷總量高達2500萬噸至1億噸。

為何稻田會成為巨大的甲烷“制造廠”，這和稻田及水稻種植的特點密不可分。經過多年的耕作，稻田中的土壤顆粒被破碎為極為細小的顆粒，彼此能夠緊實地擠壓在一起，空隙很小；水田的水分夾雜其中，使得空氣無處藏身，整個水田成為極度缺氧的環境。與此同時，耕作和肥料的使用，使得水田中有著豐富的有機物殘渣，并且水稻根系在生長過程中，也不斷向水田內分泌有機物。此外，種植水稻的水田，大多分布于亞熱帶和熱帶地區。

缺氧的環境、大量的有機物和溫暖的環境，使得水稻根際土壤中產生大量厭氧型微生物。而這些微生物中，就包含相當多的產甲烷菌。整個水田，就好似一個巨大的無蓋沼氣池，源源不斷地將有機物分解為甲烷，并肆無忌憚地排放入大氣之中。

如此巨量的甲烷釋放也是一種潛在的浪費——這些甲烷中的碳，有相當部分也是來源于通過光合作用而固定的二氧化碳。如果能夠使得水稻將這些碳轉化為能被人們所利用的有機物，比如淀粉，那將會是一件一舉兩得的事情。

改變糖運輸，增產又減排

不過長期以來，減少水稻甲烷排放和增加有機物產量，是一個“魚和熊掌不能兼得”的事情。傳統上減少甲烷排放的方式，是通過改良耕種、灌溉等農業技術，改變稻田土缺氧環境，減少有機物殘留，抑制產甲烷菌的活動。然而，這些行為會改變水稻根際環境，對水稻生長產生一定影響。另一方面，因為控制甲烷排放量對于植株個體篩選來說并非易事，傳統的育種方式很難選育出“低甲烷排放”的水稻。高產的水稻品種意味著向根部輸送的有機物更多，同樣不利于減少甲烷排放。

新的生物技術讓人們看到了解決這一問題的希望。研究者設想，通過調整水稻體內的有機物分配過程，或許能讓一些本該運輸到根部的有機物進入籽粒當中。這樣既能夠減少有機物向土壤中的釋放，同時又能增加籽粒有機物的含量。事實證明，這個設想是可以實現的。而一個來自大麥的基因SUSIBA2，成為了實現這個夢想的關鍵。

SUSIBA2（Sugar signaling in barley 2）基因是大麥內編碼一個調節糖類代謝過程的轉錄因子。之前的研究發現，在組織細胞內較高水平地表達這種轉錄因子，可以增強該部位“接納”有機物的能力，并提高淀粉效率。瑞典農業科學大學與我國福建省農業科學院的研究者將這一基因轉移到水稻基因組中，并通過一個同樣來自大麥的啟動子SBEIIb，驅動SUSIBA2基因在水稻的莖及籽粒中表達。檢測顯示，在被篩選出的2個株系中，SUSIBA2得到了理想的表達，因此這2個株系被用來進行后續實驗。

研究者發現，相比于傳統水稻，這些轉基因水稻的地上部分生物量顯著增加，特別是籽粒中的淀粉含量提高了約13%。在福建等地連續3年的田間測量表明，這些水稻在生長期的甲烷釋放量，只有同樣耕作技術下傳統水稻的10%；在結實期間，這一數值可繼續降低到僅0.3%。

同時，對土壤根際微生物菌群的元基因組測序顯示，土壤中多種產甲烷菌的數量也有明顯下降。研究者們推測，這些轉基因水稻能夠大幅降低甲烷釋放的原因，在于減少了根部的有機物分配，降低了根在生長過程中向土壤中釋放的有機物，從而減緩了產甲烷菌的活動。

更有意思的是，在這種“高淀粉低甲烷水稻”中，驅動SUSIBA2基因表達的啟動子SBEIIb本身可以受SUSIBA2和糖的誘導而提高活性，因此在氣溫較高的夏季及一天中的中午時段，水稻光合作用產生的糖能夠誘導SUSIBA2的表達量進一步提高，形成了滾雪球般的正反饋效應，從而進一步減少向根部的有機物輸送。這一巧妙的設計讓本應隨著溫度升高而更加活躍的產甲烷菌變得“缺糧”，從而大幅降低了甲烷的產生。

讓生物技術做更“大”的事

提到農業生物技術，一般人頭腦中通常反映出的，是一些農業相關性狀的改良，例如增加產量、提高抗病抗蟲性、增加肥料利用率，以及降低生產成本等。而這項研究成果讓我們看到，生物技術有能力做到更“大”的事——為減緩全球變暖作出貢獻。

事實上這并不奇怪，畢竟農業生態系統是地球生態系統中重要的組成部分之一。數千年以來，為了養活逐漸增加的人口，農田，以及更加廣義的畜牧用地，已經極大地改變了地球的本來面貌，同時對地球生態產生了舉足輕重的影響。稻田所釋放的甲烷，就是其中具有代表性的一員。

而現在，人們已經擁有足夠的技術，來降低農業生產對環境及地球生態的不利影響。除了減少稻田甲烷釋放外，農業中另一大甲烷釋放來源——反芻牲畜體內發酵產生的甲烷，同樣可以依靠新的生物技術降低其排放。目前已有研究者試圖通過改良牲畜飼料、體內菌群，甚至直接改造牲畜的消化系統，達到減少甲烷產生的目的。

在環保呼聲日益高漲的今天，農業這個受到人類強烈干預，但又與自然生態系統聯系緊密的生態系統，不但要供給人類文明延續和進步所需的物質基礎，同時也必須向著對環境更加友好的方向發展。在這一宏大的發展潮流中，新的生物技術依然“大”有可為。endprint