光合作用居然有20%的时间会出错?

(译 / 红猪)你有没有想过,人类喂饱自己的能力,取决于一个有20%的时间都会出错的过程?

这其实是我们每天都在面对的处境。原因如下,为我们生产食物的那些植物,都是为了解决几十亿年之前的一个化学问题而演化出来的。植物在演化中学会了用二氧化碳生产粮食和我们呼吸的氧气——这个过程就是“光合作用”。但后来植物生长得太好,也生产了太多氧气,以至于它成为了大气中的主要气体。对植物来说,二氧化碳和氧气是非常相似的气体,所以有时它们会弄混,在该用二氧化碳的时候误用了氧气当原料。那样就会产生出有毒的化合物,降低作物的产量。每年光是小麦和大豆的因此造成的欠收,就损失了148万亿卡路里,这些热量本可以够2亿人活一年。

在光合作用的过程中,二氧化碳和水被转化为糖和氧气,这个化学反应是由阳光驱动的。

提高作物产量、以求用较少的土地种出更多粮食,这是一个向来就有的难题。但是随着全球人口的增加和饮食结构的变化,这个问题正变得日益紧迫。现在看来,我们必须在2050年前将粮食产量提高25%至70%,才能保证充足的粮食供应。

作为植物生化学家,我一直很在意光合作用,因为我们全体人类的生存都是拜这个简单的过程所赐。我自己对农业研究的兴趣也是由这个难题激发的:人类要靠植物养活,而要养活更多人类,我们就必须尽快想出办法来。

增强光合作用,产出更多粮食

在第一次绿色革命期间,人类培育出的高产量作物品种提高了谷粒-植物生物量(grain-to-plant biomass)的比例,从而在20世纪60年代预防了粮食短缺。植物的大部分可食用卡路里都蕴含在谷粒中间,因此增加谷粒,减少秸秆就意味着生产了更多粮食。然而经过全面改良,现在的作物都已经接近理论上的极限值了。而且无论是借助遗传学方法还是传统的育种方法,让改良种子这样的农业创新走进田间地头都需要几十年时间。

我目前参与了一个名叫“实现光合作用更高效率”( Realizing Increased Photosynthetic Efficiency,简称“RIPE”)的国际合作项目,我们想要走出另一条路子,用提高光合作用效率的方法来提高收成,也就是让植物在太阳能的驱动下,更高效地将二氧化碳和水转化成粮食。在最近发表的一项研究中,我们介绍了将作物产量提高40%的一种方法,具体地说,我们修改了在大部分主粮作物的生产中都很常见的几种化学反应的途径。 

红色小车代表未经基因修饰的植物,它们的“光呼吸”是一种迂回而耗费能量的过程,会减少作物潜在的产量。蓝色小车代表的是经过基因修饰的植物,它们通过一条捷径绕过了光呼吸,因而能节省燃料并充分利用能量,并使作物产量上升40%之多。图片来源:RIPE, CC BY-SA

光呼吸,浪费了许多能量

从世界范围来看,我们消费的热量有三分之二都直接或间接地来自四种作物:大米、小麦、大豆和玉米。除了玉米外,前三种主粮都受限于一种光合作用故障。在正常情况下,植物靠一种叫Rubisco 的酶从大气中捕获二氧化碳,并将它转化成糖和能量。然而在每五次转化反应中Rubisco就会犯一次错,把氧气当成二氧化碳捕捉。于是化学反应中产生的就不是糖和能量,而是乙醇酸和氨气,这两种物质都对植物有毒。为了补漏洞解毒,植物又演化出了一种极其耗费能量的过程,叫作“光呼吸”(photorespiration),它能将这两种有毒化合物重新吸收利用。但是回收有毒物质需要很多能量,因此植物生产的粮食就少了。

由于光呼吸实在太过耗能,像玉米之类的植物以及光合菌和藻类,就又演化出了一种机制来预防Rubisco和氧气接触。还有一些生物,比如细菌,则演化出了更加高效的方法来去除毒素。

这些大自然的解决手段启发了许多研究者。他们借助基因工程将自然界中一些较为高效的回收机制注入了其他植物体内,使它们也能在温室和实验室里更好地成长并开展光合作用。还有一种思路则是修改自然的光呼吸并加快毒素的回收速度。

化学改道,增加作物产量

改良未来作物的关键,在于直接操控光呼吸。

因为化石燃料的消费,大气中不断增长的二氧化碳促进了光合作用,使植物能更多地利用碳元素。你或许以为这样就自然能纠正植物吸入氧气的错误了。其实不然,气温升高导致光呼吸也增加,促进了有毒化合物的形成。

据预计,就算二氧化碳含量达到现在的两倍以上,仍会有18%的庄稼欠收,因为在二氧化碳增多的同时,气温也会上升近4摄氏度。靠提高二氧化碳含量,我们在2050年生产的粮食依然会不够吃。

我有两个合作者,美国农业部农业研究局的分子生物学家包罗·索思(Paul South),和伊利诺伊大学专攻作物科学的生物学家唐·奥尔特(Don Ort)教授。我们一起尝试修改光呼吸的化学反应,看看能不能增加作物产量。植物之所以在回收有毒的乙醇酸时效率低下,一个原因是乙醇酸在回收时要通过植物细胞内部的三个区室。这就好比是一个铝罐在回收时要经过三个相互分离的回收车间。于是我们打通了三条捷径,使乙醇酸的回收能在一个地方进行。同时我们也抑制了它的那条麻烦的自然回收过程。

阿曼达·卡瓦纳正在一个特制的暖棚内测试经过基因修饰的烟草植株,她想从中选出能提高关键粮食作物产量的基因组合。图片来源:Claire Benjamin/RIPE Project, CC BY-ND

在电脑中构想,在土壤中验证

农业研究的创新可以迅速地在一种模式生物身上验证。烟草就很适合承担这个任务,因为它的基因容易编辑,也容易在田地里种植。烟草的另一个好处是它的生命周期短,而且能产生大量种子以及和其他大田作物类似的叶冠层,这些都使我们能在短时间内测量基因修饰的效果。假如对烟草的修改奏效,我们再把这些修改再用于希望改善的那些粮食作物。

左图:用液氮冻结植物样本,研究原始植物和经改造植物之间有何代谢变化。右图:测量改造后植物的光合作用结果。图片来源:Claire Benjamin/RIPE Project, CC BY-ND

我们给1200株烟草注入了各不相同的基因,做了测试,从中挑选出了能最高效地回收乙醇酸的基因组合。然后我们将这些经过基因修饰的植株与二氧化碳隔绝,以此诱发它们合成有毒的乙醇酸。接着我们比对了哪些植株长势最好,也就是说,哪些植株拥有的基因组合能最高效地回收毒素。在这之后的两年里,我们又在真实的农业种植环境下测试了这些植株。结果显示拥有最佳基因组合的植株比别的植株大约早一周开花,它们比未经过修饰的植株长得更高,块头也大了约40%。

左侧是四株未经修饰的植物,右侧是四株经过基因修饰、从而能抄捷径绕过光呼吸的植物。后者能充分利用能量和资源,从而使产量提升40%之多。图片来源:Claire Benjamin/RIPE Project, CC BY-ND

看到自己的想法在烟草中得到证实,我们又开始在粮食作物上验证这个方案,我们试验了大豆、豇豆、大米、土豆、西红柿和茄子。用不了多久,我们就能更清楚地知道自己的基因修饰能使这些作物的产量增加多少了。

一旦我们证明了自己的发现可以转化成粮食作物,食品药品监管局和美国农业部就会对这些经过基因修饰的植物开展严格测试,以确保它们可以安全地摄入人体且不会威胁环境。这样的测试可能要花费1.5亿美元巨资和10年以上的时光。

做了两年多的田野试验的三个科学家,阿曼达·卡瓦纳(左)、保罗·索思(中)和唐纳德·奥尔特(右)。图片来源:Claire Benjamin/RIPE Project, CC BY-ND

光呼吸的过程是一切植物所共有的,我们因此乐观地估计:在将来,我们的思路将会使农作物产量提高近40%,它还能帮助人们在更少的土地上种出更多粮食,并在2050年使全球的人口免于饥饿。(编辑:游识猷)

编译来源

Reclaiming lost calories: Tweaking photosynthesis boosts crop yields

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