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        降低稻田碳排放,大麥基因來幫忙

        2017-10-12 04:18:07飛雪
        中國科技教育 2016年11期
        關鍵詞:產甲烷菌大麥水田

        飛雪

        從我國長江中下游及以南的丘陵地區(qū),向南一直延伸到印度平原和東南亞熱帶雨林,一塊塊的水田是這些地區(qū)最為典型的農耕風貌。而這些總面積達十余億畝的水田中種植的水稻,是這片集中著近世界三分之一人口的地區(qū)最為主要的糧食來源。

        然而,就在這些水稻為人們提供寶貴熱量的同時,它們同時也在為地球“加熱”。種植水稻會釋放巨量的甲烷到大氣中,而甲烷則是二氧化碳之外最為主要的溫室氣體。于是,如何減少水稻種植中的甲烷排放成為了農業(yè)工作者的重要研究對象。

        發(fā)表在《自然》的一篇論文提出了在不減少甚至增加水稻淀粉產量的基礎上,減少種植過程甲烷排放的方法。而這一成果的關鍵技術,就是借用了一套來源于大麥的基因。

        稻田:巨大的碳排放源

        盡管從總量上來說,排放到大氣中的甲烷遠少于二氧化碳,但是由于甲烷的溫室氣體效應比二氧化碳高30余倍,因此甲烷依然為工業(yè)化以來的全球變暖作出了約20%的“貢獻”——而在這些進入大氣的甲烷中,有7%~17%是由稻田釋放的。根據測算,全球每年從稻田中逸出的甲烷總量高達2500萬噸至1億噸。

        為何稻田會成為巨大的甲烷“制造廠”,這和稻田及水稻種植的特點密不可分。經過多年的耕作,稻田中的土壤顆粒被破碎為極為細小的顆粒,彼此能夠緊實地擠壓在一起,空隙很??;水田的水分夾雜其中,使得空氣無處藏身,整個水田成為極度缺氧的環(huán)境。與此同時,耕作和肥料的使用,使得水田中有著豐富的有機物殘渣,并且水稻根系在生長過程中,也不斷向水田內分泌有機物。此外,種植水稻的水田,大多分布于亞熱帶和熱帶地區(qū)。

        缺氧的環(huán)境、大量的有機物和溫暖的環(huán)境,使得水稻根際土壤中產生大量厭氧型微生物。而這些微生物中,就包含相當多的產甲烷菌。整個水田,就好似一個巨大的無蓋沼氣池,源源不斷地將有機物分解為甲烷,并肆無忌憚地排放入大氣之中。

        如此巨量的甲烷釋放也是一種潛在的浪費——這些甲烷中的碳,有相當部分也是來源于通過光合作用而固定的二氧化碳。如果能夠使得水稻將這些碳轉化為能被人們所利用的有機物,比如淀粉,那將會是一件一舉兩得的事情。

        改變糖運輸,增產又減排

        不過長期以來,減少水稻甲烷排放和增加有機物產量,是一個“魚和熊掌不能兼得”的事情。傳統(tǒng)上減少甲烷排放的方式,是通過改良耕種、灌溉等農業(yè)技術,改變稻田土缺氧環(huán)境,減少有機物殘留,抑制產甲烷菌的活動。然而,這些行為會改變水稻根際環(huán)境,對水稻生長產生一定影響。另一方面,因為控制甲烷排放量對于植株個體篩選來說并非易事,傳統(tǒng)的育種方式很難選育出“低甲烷排放”的水稻。高產的水稻品種意味著向根部輸送的有機物更多,同樣不利于減少甲烷排放。

        新的生物技術讓人們看到了解決這一問題的希望。研究者設想,通過調整水稻體內的有機物分配過程,或許能讓一些本該運輸到根部的有機物進入籽粒當中。這樣既能夠減少有機物向土壤中的釋放,同時又能增加籽粒有機物的含量。事實證明,這個設想是可以實現的。而一個來自大麥的基因SUSIBA2,成為了實現這個夢想的關鍵。

        SUSIBA2(Sugar signaling in barley 2)基因是大麥內編碼一個調節(jié)糖類代謝過程的轉錄因子。之前的研究發(fā)現,在組織細胞內較高水平地表達這種轉錄因子,可以增強該部位“接納”有機物的能力,并提高淀粉效率。瑞典農業(yè)科學大學與我國福建省農業(yè)科學院的研究者將這一基因轉移到水稻基因組中,并通過一個同樣來自大麥的啟動子SBEIIb,驅動SUSIBA2基因在水稻的莖及籽粒中表達。檢測顯示,在被篩選出的2個株系中,SUSIBA2得到了理想的表達,因此這2個株系被用來進行后續(xù)實驗。

        研究者發(fā)現,相比于傳統(tǒng)水稻,這些轉基因水稻的地上部分生物量顯著增加,特別是籽粒中的淀粉含量提高了約13%。在福建等地連續(xù)3年的田間測量表明,這些水稻在生長期的甲烷釋放量,只有同樣耕作技術下傳統(tǒng)水稻的10%;在結實期間,這一數值可繼續(xù)降低到僅0.3%。

        同時,對土壤根際微生物菌群的元基因組測序顯示,土壤中多種產甲烷菌的數量也有明顯下降。研究者們推測,這些轉基因水稻能夠大幅降低甲烷釋放的原因,在于減少了根部的有機物分配,降低了根在生長過程中向土壤中釋放的有機物,從而減緩了產甲烷菌的活動。

        更有意思的是,在這種“高淀粉低甲烷水稻”中,驅動SUSIBA2基因表達的啟動子SBEIIb本身可以受SUSIBA2和糖的誘導而提高活性,因此在氣溫較高的夏季及一天中的中午時段,水稻光合作用產生的糖能夠誘導SUSIBA2的表達量進一步提高,形成了滾雪球般的正反饋效應,從而進一步減少向根部的有機物輸送。這一巧妙的設計讓本應隨著溫度升高而更加活躍的產甲烷菌變得“缺糧”,從而大幅降低了甲烷的產生。

        讓生物技術做更“大”的事

        提到農業(yè)生物技術,一般人頭腦中通常反映出的,是一些農業(yè)相關性狀的改良,例如增加產量、提高抗病抗蟲性、增加肥料利用率,以及降低生產成本等。而這項研究成果讓我們看到,生物技術有能力做到更“大”的事——為減緩全球變暖作出貢獻。

        事實上這并不奇怪,畢竟農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分之一。數千年以來,為了養(yǎng)活逐漸增加的人口,農田,以及更加廣義的畜牧用地,已經極大地改變了地球的本來面貌,同時對地球生態(tài)產生了舉足輕重的影響。稻田所釋放的甲烷,就是其中具有代表性的一員。

        而現在,人們已經擁有足夠的技術,來降低農業(yè)生產對環(huán)境及地球生態(tài)的不利影響。除了減少稻田甲烷釋放外,農業(yè)中另一大甲烷釋放來源——反芻牲畜體內發(fā)酵產生的甲烷,同樣可以依靠新的生物技術降低其排放。目前已有研究者試圖通過改良牲畜飼料、體內菌群,甚至直接改造牲畜的消化系統(tǒng),達到減少甲烷產生的目的。

        在環(huán)保呼聲日益高漲的今天,農業(yè)這個受到人類強烈干預,但又與自然生態(tài)系統(tǒng)聯系緊密的生態(tài)系統(tǒng),不但要供給人類文明延續(xù)和進步所需的物質基礎,同時也必須向著對環(huán)境更加友好的方向發(fā)展。在這一宏大的發(fā)展潮流中,新的生物技術依然“大”有可為。endprint

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