用浮萍構(gòu)建水上糧倉(cāng)

王思瑤

目前，全球糧食安全形勢(shì)嚴(yán)峻，我國(guó)糧食安全也備受考驗(yàn)。如何充分開(kāi)發(fā)新的非傳統(tǒng)生物資源，建立有別于傳統(tǒng)農(nóng)耕的糧食生產(chǎn)模式迫在眉睫。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所趙海研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)15年的研究，對(duì)水生植物浮萍在保障糧食安全上的戰(zhàn)略價(jià)值有了系統(tǒng)而深刻的認(rèn)識(shí)，取得了重要的研究成果。

15年前，趙海的研究重心集中在薯類燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，相關(guān)研究成果已獲得實(shí)際轉(zhuǎn)化應(yīng)用。但當(dāng)時(shí)學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界均認(rèn)為生物能源的開(kāi)發(fā)必須遵循不“與人爭(zhēng)糧，與糧爭(zhēng)地”的原則，只要是土壤里種出來(lái)的作物就不是“非糧原料”。因此薯類的非糧屬性始終被一些專家質(zhì)疑。

為此，趙海和團(tuán)隊(duì)決定要尋找一種不占用耕地的無(wú)爭(zhēng)議的非糧物種，他們另辟蹊徑地選擇在水生植物中尋找合適的對(duì)象，最終，關(guān)注到了浮萍這一浮水植物。

浮萍是一類在全球廣泛分布的水生植物，可生長(zhǎng)期長(zhǎng)，在溫、熱帶地區(qū)可全年生長(zhǎng)。其繁殖速度極快，最適條件下30小時(shí)即可翻倍，是生長(zhǎng)速度最快的開(kāi)花植物之一。國(guó)外對(duì)浮萍作為新型生物資源的重要價(jià)值認(rèn)識(shí)較早，但研究工作分散，而國(guó)內(nèi)對(duì)浮萍的研究不多，只開(kāi)展了一些零散的研究工作。

為了更好地研究浮萍，趙海收集了來(lái)自全球800余份具有地域代表性的浮萍株系，建成了全球最大的種質(zhì)資源庫(kù);并通過(guò)高通量篩選與評(píng)價(jià)技術(shù)體系的建立，實(shí)現(xiàn)了各種特性的浮萍資源的系統(tǒng)篩選。

經(jīng)過(guò)多年連續(xù)的系統(tǒng)研究，趙海團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，浮萍具有高光合效能，在誘導(dǎo)條件下光能轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到5.7%～6.6%，比C4能源作物和糧食作物更高，且超過(guò)90%的碳流向了淀粉合成。為此，研究團(tuán)隊(duì)完成了對(duì)最具淀粉生產(chǎn)潛力的少根紫萍的全基因組測(cè)序，系統(tǒng)闡釋了浮萍高淀粉積累的機(jī)制。

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格科學(xué)篩選出的浮萍高淀粉積累株系，可在調(diào)控下經(jīng)10天淀粉含量從6.52%提高到75.88%，達(dá)到2.5噸/畝/年的淀粉生產(chǎn)能力，是水稻畝產(chǎn)淀粉的6倍以上，已建成100m2的高淀粉浮萍自動(dòng)化植物工廠，并完成模式驗(yàn)證。篩選出的高蛋白株系，蛋白質(zhì)含量>50%，達(dá)到1噸/畝/年的蛋白生產(chǎn)能力，是大豆畝產(chǎn)蛋白的5倍以上。

團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了浮萍生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)開(kāi)發(fā)研究，以高淀粉浮萍為原料，取得了發(fā)酵效率>95%、乙醇濃度>13%，丁醇濃度每升10.65克、總?cè)軇┟可?8.65克的技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這一成果于2014年獲得聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織（UNIDO）頒發(fā)的“全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價(jià)值領(lǐng)先技術(shù)藍(lán)天獎(jiǎng)”。

除此之外，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了將浮萍作為合成生物學(xué)底盤生物的探索性研究，已建立了浮萍遺傳轉(zhuǎn)化、基因編輯和浮萍細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)體系，目前已實(shí)現(xiàn)了雞瘟疫苗、白介素等高值活性物質(zhì)在浮萍中的高效表達(dá)，并驗(yàn)證了由此獲得的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物的生物活性和功能。

目前，趙海團(tuán)隊(duì)發(fā)表浮萍相關(guān)《科學(xué)引文索引》（SCI）研究論文40余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利12項(xiàng)，其中已授權(quán)11項(xiàng)，被公認(rèn)為全球研究浮萍系統(tǒng)、全面的團(tuán)隊(duì)。2021年，團(tuán)隊(duì)參與第十屆國(guó)際環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展大會(huì)（ISCES），獲得由聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署頒發(fā)的“全球環(huán)境挑戰(zhàn)賽”獎(jiǎng)第二名。

對(duì)浮萍15年的研究，讓趙海意識(shí)到浮萍是極具研究與應(yīng)用價(jià)值的水生植物。浮萍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以無(wú)性繁殖為主，適于工廠化生產(chǎn)，具有“農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工業(yè)化”的前景，可提供一種有別于傳統(tǒng)糧食生產(chǎn)的新型生產(chǎn)模式;并且還具有模式植物特性，可作為合成生物學(xué)的底盤生物，提供高效的生物反應(yīng)器。同時(shí)，浮萍的種植還有利于水體凈化和CO2的減排，為減輕溫室效應(yīng)作出貢獻(xiàn)，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

為此，趙海表示將繼續(xù)在浮萍研究領(lǐng)域深耕，讓這一具有戰(zhàn)略價(jià)值的生物資源造福人類，發(fā)揮他作為科研工作者的應(yīng)盡之力。

（責(zé)編：蘇寒山）