加速光合作用 一场新的绿色革命

“中国杂交水稻之父”袁隆平也曾提出过“利用远缘有利基因是培育超级杂交稻的主要技术路线”的观点。其团队早已宣布C4技术将被融入第四期超级杂交水稻研发中。

当科学家们发现玉米的光合作用能力较强时,他们将目光转向了全球一半人口的口粮——水稻。

现在,他们打算将促使玉米产生高速光合作用的基因转移到水稻上去,通过加速水稻的光合作用,来提高产量。

早在上世纪60年代,科学家就已经发现,高等植物在进行光合作用时基本上可以分为三大类型,分别是C3、C4和CAM。其中C4植物的光合作用能力较强,其在进行光合作用时CO2首先被固定为C4分子苹果酸或天冬氨酸,对CO2进行转运浓缩后再进行普通C3光合作用。现实中,玉米、甘蔗、高粱等植物生长速度快,产量高,就是因为它们属于C4植物。而水稻属于C3植物,这类植物在进行光合作用时,CO2先被固定为C3分子3-磷酸甘油酸,再进一步转化为糖类。除了水稻,小麦、大豆等物种也都属于C3类。

他们通过研究认为,C4植物之所以光合作用能力超过C3植物,是因为它们有一个C3植物所不具备的秘密武器:二氧化碳浓缩机制。该机制包括C4代谢物穿梭机制及独特的花环结构,两者合作促使C4植物获得更高的光能利用效率,从而加速植物生长速度,并使其增产。

事实上,从 1966 年澳大利亚学者Hatch Slack发现C4光合途径开始,作物生理和育种学家就试图用C4光合特性改造C3植物。但是,目前尚没有成功的案例。通过加速光合作用改造水稻是近年来比较热门的研究方向。在此之前,科学家们关于杂交水稻和转基因水稻的研究从来没有脱离过水稻本身。

当然,因为转基因粮食作物目前在全球范围内被接受程度有限,所以此次用C4植物基因改造水稻的工程也可能受到质疑。但是科学家们似乎不能停止这项改造工作,因为目前供养全球一半人口的水稻产量刚刚突破亩产1000公斤,其产量在目前杂交水稻等技术范围内已经很难再有提高。而相对的,全球人口却在不断增长。

最新数据显示,到2050年,全球人口将突破90亿大关。而每增加10亿人口,水稻粮食需求增加超过1亿吨。但自上世纪90年代以来,粮食的年增长率由2%降低到了只有1%。另外,全球耕地总数也已经不可能再有增加。

所以,当人们还在为新型超级杂交水稻突破亩产1000公斤的纪录而欢呼时,摆在全球人口面前的粮食危机并没有解除。

好在,截至目前,这项改造水稻光合作用机制的技术已经取得了阶段性的进展。不久前,来自国际水稻研究所(IRRI)的保罗 奎克和剑桥大学教授朱利安 希伯德在一种水稻植株中引入了5个关键的C4光合作用基因,结果发现,这种水稻植株吸收二氧化碳的机制与加速型光合作用植物的吸收机制相同。

这相当于完成了一个C4水稻的原型。这是改造水稻光合作用的关键性进展,为了这一步,IRRI的科学家们已经努力了近7年时间。

2008年,来自英、美、中等多个国家的科研团队在位于菲律宾的IRRI组成了“国际C4水稻联盟”(以下简称“C4水稻联盟”),希望将玉米中的高效光合作用机制应用到水稻中,以提升水稻产量。这个新品种水稻被称为C4水稻。

一位生物学人士表示,C4水稻研发计划大致可以分为三期。

第一期,鉴别出控制C4植物进行C4光合作用相关的基因,初步尝试把C4植物的基因转到水稻。目前,科学家们已经鉴别出了C4光合作用所需要的酶的基因,但是控制花环结构设计的基因比较复杂,还没有完全鉴别出来。

第二期,转入C4光合作用基因,在水稻中实现C4光合作用,获得C4水稻原型。上述C4联盟的最新研究成果表明第二期也已经实现。

第三期,解决花环难题。第二期虽然实现C4水稻原型,但是其仍以传统的C3光合作用为主,原因在于这一水稻原型

细胞结构并未发生改变。只有将水稻叶片改造出C4植物特有的花环形结构才能真正通过C4途径实现二氧化碳的浓缩,提高光合作用效率,从而进一步提高产量。“第三期过程非常复杂,所需时间和精力可能比前两期的总和还要多。”上述生物学人士表示。相关人士曾透露,完成第三期计划,可能还需要10~15年时间。

C4水稻联盟的科学家们表示,如果C4水稻研发成功,可以减少化肥的使用,可以使其比传统水稻更适应干旱等恶劣环境,更重要的是,可以使水稻增产50%。

上世纪90年代,来自台湾的科学家古森本就曾试图把促使玉米完成高效光合作用的基因转移到水稻中去。他的研究结果已经表明,这种方法是可行的。

“中国杂交水稻之父”袁隆平也曾提出过“利用远缘有利基因是培育超级杂交稻的主要技术路线”的观点。其团队早已宣布C4技术将被融入第四期超级杂交水稻研发中。

有科学家将每一次科技进步引起的稻麦增产都看作绿色革命。20世纪60年代,美国植物病理学家诺曼 E 勃劳格通过让农作物茎干变短使其产量增加20%。20世纪70年代,中国杂交水稻的研发,使水稻产量又提高了20%。袁隆平带领的团队在2014年甚至突破了水稻亩产1000公斤的纪录。

他们认为,C4水稻的研发,又将引起一次新的绿色革命。撰文/孙瑞丽
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