生物工程改善光合作用可以提高糧食作物的產(chǎn)量

近日，中國生物多樣性保護與綠色發(fā)展基金會（簡稱中國綠發(fā)會，綠會）國際部從國際知名期刊獲悉一文——《生物工程改善光合作用可以提高糧食作物的產(chǎn)量》（Bioengineering better photosynthesis increases yields in food crops）。綠會國際部現(xiàn)將該文整理編譯如下，供感興趣的讀者參考。

大豆冠層中的光。圖片來源:Allison Arp/RIPE項目

在大田試驗中，RIPE的研究人員首次證明了光合作用的多基因生物工程可以提高一種主要糧食作物的產(chǎn)量。經(jīng)過十多年的努力，由伊利諾伊大學（University of Illinois）領導的一個合作團隊對大豆進行了轉(zhuǎn)基因改造，以提高光合作用的效率，在不損失質(zhì)量的情況下獲得更高的產(chǎn)量。

如此重大的結(jié)果出現(xiàn)在一個非常關鍵的時刻。聯(lián)合國最新報告《2022年世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》發(fā)現(xiàn)，2021年，近10%的世界人口處于饑餓狀態(tài)，在過去幾年里，這一狀況一直在不斷惡化，在規(guī)模上超過了對全球健康的所有其他威脅。聯(lián)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(yǎng)不良。造成這種情況的兩個主要原因是低效的糧食供應鏈（獲取糧食）和氣候變化造成的作物生長條件惡劣。改善貧困地區(qū)的糧食獲取和提高糧食作物的可持續(xù)性是本研究和“成熟”項目的關鍵目標。

實現(xiàn)提高光合效率是一個國際研究項目，旨在通過提高撒哈拉以南非洲小農(nóng)糧食作物的光合效率來提高全球糧食產(chǎn)量。

“受糧食短缺影響的人數(shù)繼續(xù)增長，預測清楚地表明，需要改變糧食供應水平來改變這一軌跡，”“成熟”項目研究科學家、第一作者阿曼達·德·索薩（Amanda De Souza）說?！拔覀兊难芯匡@示了一種有效的方法，可以幫助最需要糧食的人實現(xiàn)糧食安全，同時避免更多土地被投入生產(chǎn)。改善光合作用是獲得所需產(chǎn)量增長潛力的一個重要機會。”

光合作用是所有植物將陽光轉(zhuǎn)化為能量和產(chǎn)量的自然過程，是一個效率低得驚人的100多個步驟的過程，成熟的研究人員十多年來一直在努力改進這個過程。在最近發(fā)表在《科學》（Science）雜志上的這項史無前例的研究中，研究小組改進了大豆植株內(nèi)的VPZ結(jié)構(gòu)，以提高光合作用，然后進行了田間試驗，看看產(chǎn)量是否會因此提高。

VPZ包含三個編碼葉黃素周期蛋白質(zhì)的基因，葉黃素周期是一種色素周期，有助于植物的光保護。一旦在充足的陽光下，這個循環(huán)在葉子中被激活，以保護它們免受傷害，讓葉子消散多余的能量。然而，當樹葉被遮蔽時（被其他樹葉、云或天空中移動的太陽），這種光保護就需要關閉，這樣葉子就可以繼續(xù)進行光合作用，保留一定量的陽光。植物需要幾分鐘才能關閉保護機制，從而浪費了植物原本可以用來進行光合作用的寶貴時間。

VPZ結(jié)構(gòu)中的三個基因的過表達加速了這一過程，所以每當葉子從光到暗的轉(zhuǎn)變時，光保護就會更快地關閉。葉子獲得了額外的光合作用時間，當整個生長季節(jié)加在一起時，增加了總光合速率。這項研究表明，盡管產(chǎn)量提高了20%以上，但種子質(zhì)量沒有受到影響。

“盡管產(chǎn)量更高，但種子蛋白質(zhì)含量沒有變化。這表明，從改善光合作用中獲得的一些額外能量可能被轉(zhuǎn)移到植物根瘤中的固氮細菌，”成熟植物研究所主任Stephen Long說，他是伊肯伯里大學作物科學和植物生物學主席，伊利諾伊州卡爾·r·沃斯基因組生物學研究所。

研究人員首先在煙草植物上測試了他們的想法，因為改變煙草的基因很容易，而且單一植物可以產(chǎn)生大量的種子。這些因素使得研究人員可以在幾個月內(nèi)從基因轉(zhuǎn)化到實地試驗。一旦這一概念在煙草上得到證實，他們就開始了一項更復雜的任務，即把這種基因植入糧食作物大豆中。

現(xiàn)在煙草和大豆這兩種截然不同的作物的產(chǎn)量都有很大的增長，這表明這種方法具有普遍適用性。”“我們的研究表明，實現(xiàn)增產(chǎn)很大程度上受到環(huán)境的影響。關鍵是要確定該結(jié)果在不同環(huán)境中的可重復性，并進一步改進，以確保獲得的環(huán)境穩(wěn)定性。”

今年還將對這些轉(zhuǎn)基因大豆進行更多的實地試驗，預計將在2023年初取得結(jié)果。

De Souza說:“這項工作的主要影響是打開了一條道路，表明我們可以通過生物工程進行光合作用，并提高產(chǎn)量，以增加主要作物的糧食產(chǎn)量?！薄斑@是一個開始，它證實了‘成熟’項目根深蒂固的理念是提高主要糧食作物產(chǎn)量的成功手段?！?/p>

“成熟農(nóng)業(yè)技術項目”（RIPE）及其支持者致力于確保全球獲取該項目技術，并將其提供給最需要的農(nóng)民。

他說:“對我個人來說，這是一條超過四分之一個世紀的路。“首先對作物光合作用的理論效率進行理論分析，通過高性能計算模擬整個過程，然后應用優(yōu)化程序，指出我們的作物在這個過程中的幾個瓶頸。過去十年的資金支持使我們能夠減輕一些已指出的瓶頸，并在現(xiàn)場規(guī)模測試產(chǎn)品。經(jīng)過多年的考驗和磨難，看到球隊取得如此輝煌的成績是非常值得的?！?/p>

原文參看：https://phys.org/news/2022-08-bioengineering-photosynthesis-yields-food-crops.html

整理: Lucy
審核：Maggie
編輯：Pierre