蓋茨基金資助的研究找到光合作用升級秘籍使大豆產量提高百分之三十三

現今，全世界受糧食短缺影響的人口正在增加。實現單位面積增產，是解決糧食安全、土地不足的有效途徑。而“改善光合作用”被認為是實現產量躍升的主要途徑之一。

近日，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校高級研究中心史蒂芬教授的實驗室在提高大豆的光合作用效率上取得顯著進展：田間試驗表明，在沒有施用肥料的情況下，經過針對提高光合作用效率的基因改造后，大豆產量平均提高24.5%，在某些情況下提高33%，而蛋白質和油含量保持不變。

就全球總產量而言，大豆是第四大糧食作物，也是最重要的植物蛋白來源。若這項技術得以普及，那么將大有助于減少森林砍伐、溫室氣體排放和生物多樣性的喪失，并增加低收入國家農民的收入。

這項工作是10年前建立的全球合作的結果，主要由比爾和梅琳達·蓋茨基金會資助，旨在通過改善光合作用來提高作物產量，并使這些升級后的作物可供撒哈拉以南非洲的小農戶使用。研究人員正在探索幾種“升級”方法，并嘗試將其結合起來，以實現更顯著的產量增加。

針對該研究成果，史蒂芬認為“它將適用于大多數作物，我們也正在研究豇豆和水稻。”在這之前，已經有幾個研究團隊通過升級光合作用來促進煙草等植物的生長，但該研究是第一次針對糧食作物的田間試驗。

史蒂芬是美國國家科學院、美國科學院和美國植物生物學學會會員及英國蘭開斯特大學皇家學會作物科學系教授研究員。他致力于了解光合作用及其在全球氣候變化下的適應性，以提高生物能源和糧食作物的產量。他的成就包括發現已知的生產力最高的陸地植物——一種來自亞馬遜的草，以及開發了第一個完整的光合作用過程動態模型，該模型現成為設計改進光合作用的工具。他還將芒草確定為最具生產力的溫帶植物之一，因此芒草已成為歐洲和北美的主要可持續生物能源選擇。

史蒂芬

“我們認為通過改良光合作用，有可能獲得高達50%的產量提高。”史蒂芬說，“如果能夠實現這一目標，那將稱得上綠色革命。”綠色革命是指由于作物品種和其他技術的改良，在20世紀50年代～60年代實現的農作物大規模產量提高。

那么研究人員是如何對大豆進行基因編輯提升光合效率的呢？

簡言之，轉基因大豆具有更高的產量是因為它們更好地適應“從光照到陰暗”的變化，反之亦然。

當一片葉子處于充足的陽光下時，它吸收的光能比其光合作用系統所能處理的光能要多，而這會損害植物細胞。這時，為了避免過多的光能損害，植物會開啟一種稱為“非光化學淬火（NPQ）”的機制來消散這些多余的能量。

NPQ機制使得植物吸收的光能不再被用于光合作用，而是直接轉化為熱能浪費掉，從而避免植物遭到日照的傷害。它涉及通過增強內部轉化為基態（非輻射衰變）來淬滅單線態激發態葉綠素（Chl），從而通過分子振動無害地消散多余的激發能量作為熱量。當光照強度恢復正常時，NPQ又會被關閉，以充分利用光能，植物重新回到正常的光合作用。NPQ幾乎存在于所有能進行光合作用的真核生物中。

然而，大多數作物打開和關閉NPQ的過程相當緩慢，并因此損失了大量能量。

史蒂芬說，目前還不確定為什么會這樣，可能是由于許多作物的野生祖先生長在半干旱的條件下，密度較低，葉片較少受到遮擋。而現在，在栽種條件下它們生長得非常緊密，太陽當空時，大多數葉子會受到其他葉片遮擋的影響。

能說明這一點的是，“一些野生植物，如蕨類植物，確實會更快地打開或關閉NPQ。”史蒂芬說。他的團隊受此啟發，在大豆中添加了參與NPQ過程的三個基因的額外拷貝，導致了更高水平的編碼蛋白、加速了NPQ關閉過程，使光合作用更有效。

這三個基因分別是AtVDE，AtPsbS和AtZEP（即VPZ）。其中，VPZ轉基因的過表達導致大豆產量顯著提高。在8個獨立的轉基因品系中，5個系的大豆產量顯著提高，且沒有品系產量降低。與野生大豆相比，這五個轉基因品系的產量平均增加24.5%，其中ND-18-34A品系的差異最大，高達33%。提高的產量得益于每株植物籽粒數量的提高。

值得注意的是，雖然“不給大豆作物施肥，但蛋白質含量沒有改變。”史蒂芬說。這很重要，因為大豆是全球蛋白質的主要植物來源。

“這項研究非常令人興奮。”全球研究中心Breakthrough Institute高級糧食和農業分析師艾瑪表示，農業占所有溫室氣體排放量的三分之一，增產不僅有助于減少溫室氣體排放，而且通過減少森林砍伐，還有助于保護植物生物多樣性和野生動物棲息地。

艾瑪此前估計，僅在美國，大豆作物的產量增加15%將減少相當于1億噸二氧化碳的溫室氣體排放量。

“需要做出重大努力來改善作物，因為我們主要作物的年產量增長已經趨于穩定，而除了面臨氣候變化外，世界人口還正在增長。”英國埃塞克斯大學生物科學教授雷尼斯說，她的團隊也正在研究另一種促進光合作用的方法。

“我們還需要以可持續的方式提高產量，例如，就像這項研究表明的那樣，不需使用額外的氮肥。”雷尼斯說。

考慮到大多數作物不能像大豆和豇豆等擁有固氮能力的植物那樣“自制”氮肥，可能需要額外的肥料來配合光合作用的升級，蓋茨基金會也在資助賦予其他作物固氮能力的相關研究，以期產生巨大的環境效益。