科学家打开作物增产地“任督二脉”,首次在田间获得超级烟草

原标题:科学家打开作物增产地“任督二脉”,首次在田间获得超级烟草

  如何满足日益增长的全球人口对粮食的需求?科学家们的一条思路是提高作物的生产力。其中,抑制光呼吸是研究热点之一,该过程会损耗大量光合作用积累下的能量。

1月4日,顶级学术期刊《科学》(Science)在线发表了一项最新研究:对植物进行生化途径的改造,在野外田间试验的烟草生产能力提高了逾40%,堪称打通“任督二脉”,成为了“超级作物”。该项研究由美国伊利诺伊大学卡尔R.沃兹基因组生物学研究所植物科学、作物科学教授Donald Ort教授团队及美国农业部的研究人员完成。

Donald Ort教授

该研究也是RIPE(研究增进光合作用效率方法的计划 Realizing Increased Photosynthetic Efficiency)的一部分。RIPE由伊利诺伊大学牵头,其项目成员单位包括美国农业部光合作用研究单位、英国艾斯克斯大学、英国兰卡斯特大学、澳大利亚国立大学、中国科学院上海植物生理生态研究所、澳大利亚联邦科工委、美国加州伯克利大学和美国路易斯安那大学,受比尔-梅琳达盖茨基金会(BMGF)等机构的支持。主要目标是通过工程改良提高主要农作物光合作用光能利用效率,进而提高作物产量可持续地提高全球粮食生产率。

在植物中,光合作用要求二磷酸核酮糖(RuBP)在RuBisCO酶(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)的作用下发生羧化。然而,RuBisCO酶无法区分二氧化碳和氧气,在它的作用下,RuBP实际上参与了两种过程:生成能量获得碳素的卡尔文循环(光合作用中碳反应的一部分),以及消耗能量释放碳素的光呼吸。

在大多数的C3类植物中,如大豆、大米、小麦种,都存在着光呼吸作用。光呼吸也是植物进化出的一种自卫方式,可消除多余的NADPH和ATP,减少细胞受损的可能。一般来说,光呼吸会抵消掉30%的光合作用,因此也被称为“卡尔文循环中的漏逸”。

长久以来,科学家试图通过基因工程等方式,试图降低植物的光呼吸,为世界粮食问题提供解决方案。

“在美国中西部地区,我们每年可以用光呼吸所消耗的热量养活2亿人。”Ort 表示,“在全球范围内回收哪怕一部分热量,都将大大有助于满足21世纪快速增长的粮食需求。”

“光呼吸是一种反光合作用,”论文第一作者Paul South说,“它消耗了植物珍贵的能量和资源,而这些能量和资源本可以用于光合作用,以更好地生长和获得产量。”

作物原本的光呼吸是一条复杂的生化通路,涉及9个酶催化的步骤,反应还会发生在叶绿体、过氧化物酶体、以及线粒体等多个不同的部位。研究团队设计了三条替代光呼吸途径,以精简原本的通路。

研究人员利用合成生物的方法改变启动子基因组合。第一种替代通路精简为5种酶,第二种替代通路里有3种酶,第三种替代通路只需要2种酶。所有的酶在替代途径设计中均直接到叶绿体。团队还使用了RNA干扰技术(RNA interference, RNAi),用于下调光呼吸途径中的原生叶绿体糖醇盐转运体,从而抑制植物体内的原始通路。

左边4株为对照组,右边4株为改造植物。

在温室条件下,3种替代途径表现各异。和对照组相比,第一种途径下,植物的生物质增加了13%,第二种途径没有明显区别。第三种途径在没有使用RNA干扰技术的情况下,生物质就增长了18%。如果使用RNA干扰技术,这一增长还能上升到24%。

田间试验俯瞰图。

此外,研究团队还以烟草作为模型,在野外田间进行了实际测试。烟草是作物研究的理想模型植物,它比粮食作物更容易改造和测试、生命周期短、产生大量种子,并且具有与其他田间作物相似的叶冠。

研究人员通过两个不同生长季节、两年的野外实地研究发现,相比野生型对照组,经过基因改造的烟草(第三种替代途径)生物质提高了25%有余。如果使用RNA干扰技术,增长更是超过40%。同时,野外试验烟草的光合作用效率提高了17%。

田间试验。

论文中提到,这是第一次光呼吸基因改造在现实的农业条件下进行测试。

RIPE主任 Stephen Long将该捷径比喻为巴拿马运河,“这条运河大大提高了贸易效率,而光呼吸捷径是植物工程的一项壮举,是大大提高光合作用效率的独特手段。”

“随着温度升高,Rubisco更难从氧气中识别二氧化碳,这就会导致更多的光呼吸。”论文作者之一Amanda Cavanagh说,“我们的目标是构建更好的植物,能够承受目前和未来的高温,帮助获得满足人类粮食需求的技术。”目前,研究团队正在利用这些发现来提高大豆、豇豆、大米、土豆、番茄和茄子的产量。

不过,这项技术转化为粮食作物并获得监管机构批准可能还需要10多年时间。但研究团队称,RIPE及其支持机构致力于确保小农,尤其是撒哈拉以南非洲和东南亚的小农,他们将能够免费获得该项目的所有突破性成果。

作者:澎湃新闻 贺梨萍返回搜狐,查看更多

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