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未来喂养全人类的超级作物现曙光?

未来喂养全人类的超级作物现曙光?

申真谞目前的棋力是否达到古今第一人的程度?

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未来喂养全人类的超级作物现曙光?

一些不寻常的植物,其光合作用的能力与众不同。未来喂养地球上庞大数量的人口可能要靠它们。

在澳大利亚昆士兰州的艾尔镇附近,有一片不寻常的农田。农田里长着一种高大的植物,长长的肉质叶子向四面八方伸展开去。这种作物叫蓝色龙舌兰,通常是制造烈性龙舌兰酒的原料。但是在澳大利亚悉尼大学的丹尼尔·谭看来,它们是即将到来的全球农业革命的一部分。

我们确实需要这样一场农业革命。随着全球变暖,许多粮食作物的产量在降低,可是我们对粮食的需求却与日俱增。有人预计,30年后地球人口将达到100亿;为养活这么多人,我们需要多生产大约50%的粮食。

像刚去世的中国科学家袁隆平,丹尼尔·谭也在致力于解决粮食问题。袁隆平试图通过杂交来提高水稻的产量;而谭等人的解决方案更激进,他们试图改造植物的光合作用来达到目的。

说起光合作用,大家并不陌生,但鲜为人知的一个事实是,大多数植物的光合作用效率低得惊人。而有些植物,像龙舌兰,却具有超强的光合作用本领。所以,了解其中的秘密,关系到我们的未来。

普通版的光合作用

假如世界上真有所谓的奇迹,那么植物的光合作用应该就是奇迹之一。光合作用捕获空气中的CO2,利用太阳光的能量,将其转化为糖类……由于CO2和太阳光取之不尽,所以植物能为我们源源不断地提供食物。

但是,在赞叹这一奇迹的时候,我们不要忽略这样一个事实:在90%的植物(包括小麦、水稻和大豆)的光合作用中,太阳能的利用率最大仅有4.6%。

利用率低下要归罪于一种叫做加氧酶(Rubisco)的蛋白。这种酶吸收CO2分子,并将其与另一种化合物结合,形成一个含有三个碳原子的分子,作为生产糖的第一步——因此,这叫C3版的光合作用(下面可以看到,还有另两个版本的光合作用)。问题是,在C3版的光合作用中,40%的时间里加氧酶都在“走神”,不是去吸收CO2,而是去吸收氧气,这就白白浪费了太阳能。当植物关闭叶子上的气孔以防止水分流失时,问题变得更糟,因为没有了CO2的参与,光合作用几乎停止。

但是,当我们嗔怨大自然为什么不能做得更好些的时候,假如大自然能说话,它一定会如是回答:我哪想得到世界变化这么快!30多亿年前,当植物进化出光合作用的时候,这根本不是个问题。那时地球大气中富含CO2,几乎不含氧气。加氧酶根本没有“走神”的诱惑。但是具有讽刺意味的是,由于植物的光合作用,后来大气中的氧气变得越来越丰富,如今反而成为光合作用的一个障碍。

高产版的光合作用

不过,在过去的1亿年里,一些植物已经找到了变通的办法,进化出一个被称为C4版的光合作用。C4版将C3版的光合作用场所一分为二:首先,它在叶肉的海绵状细胞中捕获CO2分子,产生一个四碳分子;然后,这种四碳分子通过特殊的渠道被输送到叶脉周围的细胞中,在那里被分解,再次释放出CO2。只有到这时,加氧酶才参与进来。由于再次释放的CO2浓度提高了,加氧酶“分心”的机会减少,所以太阳能的利用率就提高了。除此之外,C4植物的光合作用“厂房”——叶绿体——也“扩建”了,比C3植物的叶绿体要大,这也给它们带来了更多的动力。

未来喂养全人类的超级作物现曙光?

刺梨仙人掌也是一种CAM植物

这样的好处是明显的。譬如,虽然C4植物只占植物物种的4%,但它们生产的生物质却占23%。常见的C4作物包括玉米、高粱和甘蔗等农作物,以及狗尾草、白茅等杂草。

在知道了光合作用的两个版本之后,我们当然希望更多的农作物从C3版升级到C4版,而基因工程使这一梦想有了实现的可能。

世界上一半人口的主食是大米,而水稻是一种C3作物。2008年启动的国际合作——C4水稻项目,就旨在将水稻转变为C4作物。

水稻的叶片由于缺乏C4植物的特殊结构,需要在其基因组中插入20~30个新基因来重新塑造。2017年,项目组宣布已经在实验室创造出了一个C4水稻物种,它的产量比传统水稻高50%,预计将于2030年进入田间试验阶段。

耐旱版的光合作用

尽管C4水稻项目雄心勃勃,但是这还不够。随着气候的变化,我们不仅需要能更有效地生产粮食的作物,还需要作物在更苛刻的条件下进行生产粮食。在全球气候危机的背景下,水将成为农业的限制因素。据预测,在未来的一个世纪里,干旱将蹂躏许多半干旱地区。届时,过分依赖灌溉的水稻将无法生长。

然而,抵抗干旱的招数也早已存在于自然界中。约有7%的植物物种使用了第三个版本的光合作用,称为“景天酸代谢(CAM)”。前文提到的蓝色龙舌兰就是其中一种,其他还包括菠萝、芦荟和香草兰等植物。

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与C4版的光合作用一样,CAM版的光合作用也是通过预先提高CO2的浓度,来减少加氧酶“走神”的。所不同的是,C4植物将光合作用的场所分开,而CAM植物将其在时间上分开。与大多数植物不同,CAM植物只在夜晚凉爽的时候才打开气孔捕获CO2。它们先将CO2储存起来,待到太阳升起,气孔关闭以防止水分流失时,才利用储存的CO2进行光合作用。由于这些适应性,CAM植物对水的需求只及最耐旱的C3和C4作物的20%。

两种著名的CAM作物

作为一种CAM植物,在拉美地区龙舌兰长期以来一直被用作食品,但它们正越来越多地被种植在新地方,并用于不寻常的目的。谭在昆士兰州种植龙舌兰,是为了测试其被用来生产生物质燃料的可行性。在世界许多地方,生物质燃料被视为液体化石燃料的替代品。玉米、甘蔗认为是生产生物质燃料的较理想的作物,但由于种植它们需要土地、水和其他资源,因此也存在争议。

谭和他的同事最近发表了一份关于用龙舌兰生产乙醇的评估报告。他们发现,与用玉米生产乙醇相比,用龙舌兰生产乙醇对全球变暖的影响低60%,比用甘蔗生产乙醇低30%。此外,种植龙舌兰不需要灌溉,不会与人类争夺水资源;也不需要杀虫剂,对环境无污染。

未来喂养全人类的超级作物现曙光?

龙舌兰并不是唯一具有潜力的CAM作物。原产于美洲的刺梨仙人掌,同样可用于生产食品、动物饲料、乙醇和沼气。这种仙人掌在气温保持在零度以上的地方都能生长。这意味着,全球不适合种植其他作物的五分之一土地都可以用来种植它。实地试验表明,一公顷的刺梨仙人掌每年的产量与玉米、甘蔗相当。

呼唤抗旱版的粮食作物

即使你不使用CAM植物做任何特别的事情,它们也值得拥有。由刺梨仙人掌组成的树篱可以防止水土流失,并提高土壤的含氮量。在南非,过去几年出现了极端干旱,一些农民正在种植另一种称作马齿苋树的CAM作物,以恢复土地的肥力。

一些人在想,我们是否可以更进一步,进行类似于C4水稻的实验,将普通粮食作物升级为CAM版的抗旱作物呢?

在过去的五年里,科学家已经对几种CAM植物的基因组进行了测序。但前面的路还很长,因为我们对CAM光合作用的一些重要细节仍不清楚。目前,科学家正在全力开发一种CAM大豆。乐观地估计,未来五年内我们将会拥有一个CAM版的大豆品种。

与此同时,地球上越来越多的半干旱土地将被种植上龙舌兰等作物。我们对它们高大的身影将更加熟悉。

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