飛雪

從我國(guó)長(zhǎng)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(nóng)耕風(fēng)貌。而這些總面積達(dá)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(lái)源。

然而，就在這些水稻為人們提供寶貴熱量的同時(shí)，它們同時(shí)也在為地球“加熱”。種植水稻會(huì)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(nóng)業(yè)工作者的重要研究對(duì)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(chǎn)量的基礎(chǔ)上，減少種植過(guò)程甲烷排放的方法。而這一成果的關(guān)鍵技術(shù)，就是借用了一套來(lái)源于大麥的基因。

稻田：巨大的碳排放源

盡管從總量上來(lái)說(shuō)，排放到大氣中的甲烷遠(yuǎn)少于二氧化碳，但是由于甲烷的溫室氣體效應(yīng)比二氧化碳高30余倍，因此甲烷依然為工業(yè)化以來(lái)的全球變暖作出了約20%的“貢獻(xiàn)”——而在這些進(jìn)入大氣的甲烷中，有7%～17%是由稻田釋放的。根據(jù)測(cè)算，全球每年從稻田中逸出的甲烷總量高達(dá)2500萬(wàn)噸至1億噸。

為何稻田會(huì)成為巨大的甲烷“制造廠”，這和稻田及水稻種植的特點(diǎn)密不可分。經(jīng)過(guò)多年的耕作，稻田中的土壤顆粒被破碎為極為細(xì)小的顆粒，彼此能夠緊實(shí)地?cái)D壓在一起，空隙很?。凰锏乃謯A雜其中，使得空氣無(wú)處藏身，整個(gè)水田成為極度缺氧的環(huán)境。與此同時(shí)，耕作和肥料的使用，使得水田中有著豐富的有機(jī)物殘?jiān)⑶宜靖翟谏L(zhǎng)過(guò)程中，也不斷向水田內(nèi)分泌有機(jī)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(jī)物和溫暖的環(huán)境，使得水稻根際土壤中產(chǎn)生大量厭氧型微生物。而這些微生物中，就包含相當(dāng)多的產(chǎn)甲烷菌。整個(gè)水田，就好似一個(gè)巨大的無(wú)蓋沼氣池，源源不斷地將有機(jī)物分解為甲烷，并肆無(wú)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(fèi)——這些甲烷中的碳，有相當(dāng)部分也是來(lái)源于通過(guò)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(zhuǎn)化為能被人們所利用的有機(jī)物，比如淀粉，那將會(huì)是一件一舉兩得的事情。

改變糖運(yùn)輸，增產(chǎn)又減排

不過(guò)長(zhǎng)期以來(lái)，減少水稻甲烷排放和增加有機(jī)物產(chǎn)量，是一個(gè)“魚(yú)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(guò)改良耕種、灌溉等農(nóng)業(yè)技術(shù)，改變稻田土缺氧環(huán)境，減少有機(jī)物殘留，抑制產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)。然而，這些行為會(huì)改變水稻根際環(huán)境，對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響。另一方面，因?yàn)榭刂萍淄榕欧帕繉?duì)于植株個(gè)體篩選來(lái)說(shuō)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(chǎn)的水稻品種意味著向根部輸送的有機(jī)物更多，同樣不利于減少甲烷排放。

新的生物技術(shù)讓人們看到了解決這一問(wèn)題的希望。研究者設(shè)想，通過(guò)調(diào)整水稻體內(nèi)的有機(jī)物分配過(guò)程，或許能讓一些本該運(yùn)輸?shù)礁康挠袡C(jī)物進(jìn)入籽粒當(dāng)中。這樣既能夠減少有機(jī)物向土壤中的釋放，同時(shí)又能增加籽粒有機(jī)物的含量。事實(shí)證明，這個(gè)設(shè)想是可以實(shí)現(xiàn)的。而一個(gè)來(lái)自大麥的基因SUSIBA2，成為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想的關(guān)鍵。

SUSIBA2（Sugar signaling in barley 2）基因是大麥內(nèi)編碼一個(gè)調(diào)節(jié)糖類代謝過(guò)程的轉(zhuǎn)錄因子。之前的研究發(fā)現(xiàn)，在組織細(xì)胞內(nèi)較高水平地表達(dá)這種轉(zhuǎn)錄因子，可以增強(qiáng)該部位“接納”有機(jī)物的能力，并提高淀粉效率。瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)與我國(guó)福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的研究者將這一基因轉(zhuǎn)移到水稻基因組中，并通過(guò)一個(gè)同樣來(lái)自大麥的啟動(dòng)子SBEIIb，驅(qū)動(dòng)SUSIBA2基因在水稻的莖及籽粒中表達(dá)。檢測(cè)顯示，在被篩選出的2個(gè)株系中，SUSIBA2得到了理想的表達(dá)，因此這2個(gè)株系被用來(lái)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

研究者發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)水稻，這些轉(zhuǎn)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(cè)量表明，這些水稻在生長(zhǎng)期的甲烷釋放量，只有同樣耕作技術(shù)下傳統(tǒng)水稻的10%；在結(jié)實(shí)期間，這一數(shù)值可繼續(xù)降低到僅0.3%。

同時(shí)，對(duì)土壤根際微生物菌群的元基因組測(cè)序顯示，土壤中多種產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量也有明顯下降。研究者們推測(cè)，這些轉(zhuǎn)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(jī)物分配，降低了根在生長(zhǎng)過(guò)程中向土壤中釋放的有機(jī)物，從而減緩了產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)。

更有意思的是，在這種“高淀粉低甲烷水稻”中，驅(qū)動(dòng)SUSIBA2基因表達(dá)的啟動(dòng)子SBEIIb本身可以受SUSIBA2和糖的誘導(dǎo)而提高活性，因此在氣溫較高的夏季及一天中的中午時(shí)段，水稻光合作用產(chǎn)生的糖能夠誘導(dǎo)SUSIBA2的表達(dá)量進(jìn)一步提高，形成了滾雪球般的正反饋效應(yīng)，從而進(jìn)一步減少向根部的有機(jī)物輸送。這一巧妙的設(shè)計(jì)讓本應(yīng)隨著溫度升高而更加活躍的產(chǎn)甲烷菌變得“缺糧”，從而大幅降低了甲烷的產(chǎn)生。

讓生物技術(shù)做更“大”的事

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

事實(shí)上這并不奇怪，畢竟農(nóng)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(shù)千年以來(lái)，為了養(yǎng)活逐漸增加的人口，農(nóng)田，以及更加廣義的畜牧用地，已經(jīng)極大地改變了地球的本來(lái)面貌，同時(shí)對(duì)地球生態(tài)產(chǎn)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(xiàn)在，人們已經(jīng)擁有足夠的技術(shù)，來(lái)降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)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(nóng)業(yè)中另一大甲烷釋放來(lái)源——反芻牲畜體內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷，同樣可以依靠新的生物技術(shù)降低其排放。目前已有研究者試圖通過(guò)改良牲畜飼料、體內(nèi)菌群，甚至直接改造牲畜的消化系統(tǒng)，達(dá)到減少甲烷產(chǎn)生的目的。

在環(huán)保呼聲日益高漲的今天，農(nóng)業(yè)這個(gè)受到人類強(qiáng)烈干預(yù)，但又與自然生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)系緊密的生態(tài)系統(tǒng)，不但要供給人類文明延續(xù)和進(jìn)步所需的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也必須向著對(duì)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(shù)依然“大”有可為。endprint