讓光合作用全力運轉

編譯 湯恒巖

光合作用是綠色植物利用光能，將二氧化碳和水轉化為富能有機物，同時釋放氧氣的過程。光合作用包含100 多個步驟，效率低得驚人，科學家多年來一直在努力改進光合作用。最近，科學家首次修改了大豆植株的基因，以期提高其光合作用效率，使大豆增產。

植物反應慢，人類吃不飽

聯合國最新報告指出，2021 年全世界近10%的人仍過著忍饑挨餓的生活。聯合國兒童基金會預計，到2030 年，將有超過6.6 億人面臨糧食短缺和營養不良問題。造成這種情況的兩個主要原因是：低效的糧食生產方式和氣候變化帶來的惡劣生長條件。

在云朵遮蔽等弱光照條件下，葉黃素循環方向的逆轉往往需要數分鐘才能完成

植物光合作用的進行離不開光能，但是在全光照條件下，沒有任何一種植物能夠完全利用其吸收的所有光能。過量的光照反而會對植物造成潛在的危害，因為強光會抑制光合作用，降低光合作用的效率和最大光合速率（稱為光抑制），嚴重時還會破壞光合作用相關結構。

事實上，植物在進化過程中已形成多種光保護機制，其中依賴于葉黃素循環的熱耗散作用在近年來受到普遍關注。它在耗散多余能量中起重要作用，被認為是光保護的主要途徑。

葉黃素循環主要涉及三種組分：紫黃質（V）、花藥黃質（A）和玉米黃質（Z）。高等植物在強光照條件下，V 先轉化為中間產物A，再形成Z。其中，Z 可以直接淬滅葉綠素的光活性狀態，讓植物吸收的過剩光能以熱能的形式流失。當太陽下山后或者天空有云朵遮住太陽時，葉黃素循環就需要逆轉轉化方向，即：Z 經A 最終轉化回V，以降低Z 的含量，讓葉子可以在較弱的光照強度下繼續進行充分的光合作用。然而，葉黃素循環方向的逆轉往往需要數分鐘才能完成，這浪費了植物原本可以用來進行光合作用的寶貴時間。

提高植物的工作效率

在眾多與光合作用有關的基因中，有三個基因（合稱VPZ）是影響光保護機制切換速度的關鍵。

2016 年的一項研究表明，在煙草（因為改變煙草的基因很容易，而且單一植物可以產生大量的種子）中上調VPZ 基因的表達強度（讓VPZ 過表達）可以加速Z 向V 的轉化過程，從而提高其光合作用效率，并最終提高煙草的生物量（某一時刻單位面積內含有的有機物質總量）。然而，這幾年間，學界對VPZ 的作用一直有爭議，部分研究者認為，VPZ 引起的積極作用可能與激素含量變化有關，并且這種增產效應可能會受到植物種類的限制，難以應用在糧食生產中。

為解決上述爭議，科學家進一步以全球第四大糧食作物——大豆為研究對象，開展田間試驗，探索了VPZ 對光合作用及作物產量的影響。他們發現，VPZ 的過表達會讓大豆種子產量顯著提高，最高可高出平均水平33%。該研究還發現，不僅大豆種子產量提高，單粒大豆中的蛋白含量和含油量也未發生變化，因此可謂“添數量而不減品質”，這凸顯了通過這種生物工程方式提高作物產量的潛力。

利用合成生物學手段改造的煙草作物極大地提高了光合作用效率，并且植物體形也隨之變大

對光合效率的微觀研究發現，盡管在不同品種和不同年份中的試驗結果存在部分差異，但大豆中VPZ 的過表達均加速了蔭—光轉變過程中的光保護關閉速度，從而提高了光強不穩定條件下的光合效率；此外，盡管VPZ 處于過表達狀態，但大豆在強光照條件下其V 含量依然會減少，Z 含量依然會增加，也就是說，這并不影響植物啟動必要的光保護機制。

VPZ 的過表達會讓大豆種子產量顯著提高，大豆的品質不會下降

煙草和大豆這兩種截然不同作物的產量在試驗條件下都有很大的增長，這表明這種方法具有普遍適用性。可以說，這個方法一旦成熟，農業將迎來質的飛躍。