盖茨基金资助的研究找到光合作用升级秘籍使大豆产量提高百分之三十三

现今，全世界受粮食短缺影响的人口正在增加。实现单位面积增产，是解决粮食安全、土地不足的有效途径。而“改善光合作用”被认为是实现产量跃升的主要途径之一。

近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校高级研究中心史蒂芬教授的实验室在提高大豆的光合作用效率上取得显著进展：田间试验表明，在没有施用肥料的情况下，经过针对提高光合作用效率的基因改造后，大豆产量平均提高24.5%，在某些情况下提高33%，而蛋白质和油含量保持不变。

就全球总产量而言，大豆是第四大粮食作物，也是最重要的植物蛋白来源。若这项技术得以普及，那么将大有助于减少森林砍伐、温室气体排放和生物多样性的丧失，并增加低收入国家农民的收入。

这项工作是10年前建立的全球合作的结果，主要由比尔和梅琳达·盖茨基金会资助，旨在通过改善光合作用来提高作物产量，并使这些升级后的作物可供撒哈拉以南非洲的小农户使用。研究人员正在探索几种“升级”方法，并尝试将其结合起来，以实现更显著的产量增加。

针对该研究成果，史蒂芬认为“它将适用于大多数作物，我们也正在研究豇豆和水稻。”在这之前，已经有几个研究团队通过升级光合作用来促进烟草等植物的生长，但该研究是第一次针对粮食作物的田间试验。

史蒂芬是美国国家科学院、美国科学院和美国植物生物学学会会员及英国兰开斯特大学皇家学会作物科学系教授研究员。他致力于了解光合作用及其在全球气候变化下的适应性，以提高生物能源和粮食作物的产量。他的成就包括发现已知的生产力最高的陆地植物——一种来自亚马逊的草，以及开发了第一个完整的光合作用过程动态模型，该模型现成为设计改进光合作用的工具。他还将芒草确定为最具生产力的温带植物之一，因此芒草已成为欧洲和北美的主要可持续生物能源选择。

史蒂芬

“我们认为通过改良光合作用，有可能获得高达50%的产量提高。”史蒂芬说，“如果能够实现这一目标，那将称得上绿色革命。”绿色革命是指由于作物品种和其他技术的改良，在20世纪50年代～60年代实现的农作物大规模产量提高。

那么研究人员是如何对大豆进行基因编辑提升光合效率的呢？

简言之，转基因大豆具有更高的产量是因为它们更好地适应“从光照到阴暗”的变化，反之亦然。

当一片叶子处于充足的阳光下时，它吸收的光能比其光合作用系统所能处理的光能要多，而这会损害植物细胞。这时，为了避免过多的光能损害，植物会开启一种称为“非光化学淬火（NPQ）”的机制来消散这些多余的能量。

NPQ机制使得植物吸收的光能不再被用于光合作用，而是直接转化为热能浪费掉，从而避免植物遭到日照的伤害。它涉及通过增强内部转化为基态（非辐射衰变）来淬灭单线态激发态叶绿素（Chl），从而通过分子振动无害地消散多余的激发能量作为热量。当光照强度恢复正常时，NPQ又会被关闭，以充分利用光能，植物重新回到正常的光合作用。NPQ几乎存在于所有能进行光合作用的真核生物中。

然而，大多数作物打开和关闭NPQ的过程相当缓慢，并因此损失了大量能量。

史蒂芬说，目前还不确定为什么会这样，可能是由于许多作物的野生祖先生长在半干旱的条件下，密度较低，叶片较少受到遮挡。而现在，在栽种条件下它们生长得非常紧密，太阳当空时，大多数叶子会受到其他叶片遮挡的影响。

能说明这一点的是，“一些野生植物，如蕨类植物，确实会更快地打开或关闭NPQ。”史蒂芬说。他的团队受此启发，在大豆中添加了参与NPQ过程的三个基因的额外拷贝，导致了更高水平的编码蛋白、加速了NPQ关闭过程，使光合作用更有效。

这三个基因分别是AtVDE，AtPsbS和AtZEP（即VPZ）。其中，VPZ转基因的过表达导致大豆产量显着提高。在8个独立的转基因品系中，5个系的大豆产量显著提高，且没有品系产量降低。与野生大豆相比，这五个转基因品系的产量平均增加24.5%，其中ND-18-34A品系的差异最大，高达33%。提高的产量得益于每株植物籽粒数量的提高。

值得注意的是，虽然“不给大豆作物施肥，但蛋白质含量没有改变。”史蒂芬说。这很重要，因为大豆是全球蛋白质的主要植物来源。

“这项研究非常令人兴奋。”全球研究中心Breakthrough Institute高级粮食和农业分析师艾玛表示，农业占所有温室气体排放量的三分之一，增产不仅有助于减少温室气体排放，而且通过减少森林砍伐，还有助于保护植物生物多样性和野生动物栖息地。

艾玛此前估计，仅在美国，大豆作物的产量增加15%将减少相当于1亿吨二氧化碳的温室气体排放量。

“需要做出重大努力来改善作物，因为我们主要作物的年产量增长已经趋于稳定，而除了面临气候变化外，世界人口还正在增长。”英国埃塞克斯大学生物科学教授雷尼斯说，她的团队也正在研究另一种促进光合作用的方法。

“我们还需要以可持续的方式提高产量，例如，就像这项研究表明的那样，不需使用额外的氮肥。”雷尼斯说。

考虑到大多数作物不能像大豆和豇豆等拥有固氮能力的植物那样“自制”氮肥，可能需要额外的肥料来配合光合作用的升级，盖茨基金会也在资助赋予其他作物固氮能力的相关研究，以期产生巨大的环境效益。