現(xiàn)今，全世界受糧食短缺影響的人口正在增加。實現(xiàn)單位面積增產(chǎn)，是解決糧食安全、土地不足的有效途徑。而“改善光合作用”被認(rèn)為是實現(xiàn)產(chǎn)量躍升的主要途徑之一。

近日，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校高級研究中心史蒂芬教授的實驗室在提高大豆的光合作用效率上取得顯著進(jìn)展：田間試驗表明，在沒有施用肥料的情況下，經(jīng)過針對提高光合作用效率的基因改造后，大豆產(chǎn)量平均提高24.5%，在某些情況下提高33%，而蛋白質(zhì)和油含量保持不變。

就全球總產(chǎn)量而言，大豆是第四大糧食作物，也是最重要的植物蛋白來源。若這項技術(shù)得以普及，那么將大有助于減少森林砍伐、溫室氣體排放和生物多樣性的喪失，并增加低收入國家農(nóng)民的收入。

這項工作是10年前建立的全球合作的結(jié)果，主要由比爾和梅琳達(dá)·蓋茨基金會資助，旨在通過改善光合作用來提高作物產(chǎn)量，并使這些升級后的作物可供撒哈拉以南非洲的小農(nóng)戶使用。研究人員正在探索幾種“升級”方法，并嘗試將其結(jié)合起來，以實現(xiàn)更顯著的產(chǎn)量增加。

針對該研究成果，史蒂芬認(rèn)為“它將適用于大多數(shù)作物，我們也正在研究豇豆和水稻?！痹谶@之前，已經(jīng)有幾個研究團(tuán)隊通過升級光合作用來促進(jìn)煙草等植物的生長，但該研究是第一次針對糧食作物的田間試驗。

史蒂芬是美國國家科學(xué)院、美國科學(xué)院和美國植物生物學(xué)學(xué)會會員及英國蘭開斯特大學(xué)皇家學(xué)會作物科學(xué)系教授研究員。他致力于了解光合作用及其在全球氣候變化下的適應(yīng)性，以提高生物能源和糧食作物的產(chǎn)量。他的成就包括發(fā)現(xiàn)已知的生產(chǎn)力最高的陸地植物——一種來自亞馬遜的草，以及開發(fā)了第一個完整的光合作用過程動態(tài)模型，該模型現(xiàn)成為設(shè)計改進(jìn)光合作用的工具。他還將芒草確定為最具生產(chǎn)力的溫帶植物之一，因此芒草已成為歐洲和北美的主要可持續(xù)生物能源選擇。

史蒂芬

“我們認(rèn)為通過改良光合作用，有可能獲得高達(dá)50%的產(chǎn)量提高?！笔返俜艺f，“如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，那將稱得上綠色革命?！本G色革命是指由于作物品種和其他技術(shù)的改良，在20世紀(jì)50年代～60年代實現(xiàn)的農(nóng)作物大規(guī)模產(chǎn)量提高。

那么研究人員是如何對大豆進(jìn)行基因編輯提升光合效率的呢？

簡言之，轉(zhuǎn)基因大豆具有更高的產(chǎn)量是因為它們更好地適應(yīng)“從光照到陰暗”的變化，反之亦然。

當(dāng)一片葉子處于充足的陽光下時，它吸收的光能比其光合作用系統(tǒng)所能處理的光能要多，而這會損害植物細(xì)胞。這時，為了避免過多的光能損害，植物會開啟一種稱為“非光化學(xué)淬火（NPQ）”的機制來消散這些多余的能量。

NPQ機制使得植物吸收的光能不再被用于光合作用，而是直接轉(zhuǎn)化為熱能浪費掉，從而避免植物遭到日照的傷害。它涉及通過增強內(nèi)部轉(zhuǎn)化為基態(tài)（非輻射衰變）來淬滅單線態(tài)激發(fā)態(tài)葉綠素（Chl），從而通過分子振動無害地消散多余的激發(fā)能量作為熱量。當(dāng)光照強度恢復(fù)正常時，NPQ又會被關(guān)閉，以充分利用光能，植物重新回到正常的光合作用。NPQ幾乎存在于所有能進(jìn)行光合作用的真核生物中。

然而，大多數(shù)作物打開和關(guān)閉NPQ的過程相當(dāng)緩慢，并因此損失了大量能量。

史蒂芬說，目前還不確定為什么會這樣，可能是由于許多作物的野生祖先生長在半干旱的條件下，密度較低，葉片較少受到遮擋。而現(xiàn)在，在栽種條件下它們生長得非常緊密，太陽當(dāng)空時，大多數(shù)葉子會受到其他葉片遮擋的影響。

能說明這一點的是，“一些野生植物，如蕨類植物，確實會更快地打開或關(guān)閉NPQ?！笔返俜艺f。他的團(tuán)隊受此啟發(fā)，在大豆中添加了參與NPQ過程的三個基因的額外拷貝，導(dǎo)致了更高水平的編碼蛋白、加速了NPQ關(guān)閉過程，使光合作用更有效。

這三個基因分別是AtVDE，AtPsbS和AtZEP（即VPZ）。其中，VPZ轉(zhuǎn)基因的過表達(dá)導(dǎo)致大豆產(chǎn)量顯著提高。在8個獨立的轉(zhuǎn)基因品系中，5個系的大豆產(chǎn)量顯著提高，且沒有品系產(chǎn)量降低。與野生大豆相比，這五個轉(zhuǎn)基因品系的產(chǎn)量平均增加24.5%，其中ND-18-34A品系的差異最大，高達(dá)33%。提高的產(chǎn)量得益于每株植物籽粒數(shù)量的提高。

值得注意的是，雖然“不給大豆作物施肥，但蛋白質(zhì)含量沒有改變。”史蒂芬說。這很重要，因為大豆是全球蛋白質(zhì)的主要植物來源。

“這項研究非常令人興奮。”全球研究中心Breakthrough Institute高級糧食和農(nóng)業(yè)分析師艾瑪表示，農(nóng)業(yè)占所有溫室氣體排放量的三分之一，增產(chǎn)不僅有助于減少溫室氣體排放，而且通過減少森林砍伐，還有助于保護(hù)植物生物多樣性和野生動物棲息地。

艾瑪此前估計，僅在美國，大豆作物的產(chǎn)量增加15%將減少相當(dāng)于1億噸二氧化碳的溫室氣體排放量。

“需要做出重大努力來改善作物，因為我們主要作物的年產(chǎn)量增長已經(jīng)趨于穩(wěn)定，而除了面臨氣候變化外，世界人口還正在增長?！庇Ｈ怂勾髮W(xué)生物科學(xué)教授雷尼斯說，她的團(tuán)隊也正在研究另一種促進(jìn)光合作用的方法。

“我們還需要以可持續(xù)的方式提高產(chǎn)量，例如，就像這項研究表明的那樣，不需使用額外的氮肥?！崩啄崴拐f。

考慮到大多數(shù)作物不能像大豆和豇豆等擁有固氮能力的植物那樣“自制”氮肥，可能需要額外的肥料來配合光合作用的升級，蓋茨基金會也在資助賦予其他作物固氮能力的相關(guān)研究，以期產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益。