增产最多40%！超级农作物要来了？

2018年，全世界的人口达到了76亿。照这一趋势，在本世纪中期，全球人口总数将超过100亿。如果这一趋势成为现实，那么，一个很现实的问题就摆在了面前：谁来填饱我们的肚子？

▲100亿人口的肚子，怎么才能填饱？（图片来源：Pixabay）

　　饥饿距离城市居民来说，是一个非常陌生的词汇。但在科学家眼中，饥饿却可以预见。据估计，为了养活这100亿人口，到本世纪中叶，全世界的农业水平要比2005年提高60%-120%。

　　一个字：难。

　　但奇迹并非难以达成。在1960年到2005年的这45年里，全球作物产量从每公顷1.84吨，增加到了3.96吨，增幅达135%。背后的原因，在于杀虫剂和化肥的使用，高产量品种的培育，以及灌溉等技术的提升。

　　未来的农业，同样需要来自这些领域的突破。今天，发表在顶尖学术期刊《科学》上的一项研究，就带来了一个好消息。通过对植物进行生化通路的改造，生物学家们找到了一种带来超级农作物的方法。利用该方法，一部分实验植物增重超过了40%！

　　我们知道，植物是一种神奇的生物。从一颗种子，长成一棵参天大树，它的重量不知增加了几千几万倍。这些质量不是来自土壤，而是来自空气中的二氧化碳。

　　在植物中，存在一种叫做RuBisCO的酶。在光合作用时，这种酶能够把空气中的二氧化碳变成糖分，成为植物体内的有机组成部分。然而，这种酶却并非完美——它不但能识别二氧化碳，还能结合氧气。而它与氧气的结合，则会生成一种有毒的代谢产物。

▲光呼吸会造成能量的浪费（图片来源：参考资料[2]）

　　为了不让自己中毒，植物不得不采用一种叫做光呼吸（photorespiration）的生化通路，进行“排毒”。但这毕竟需要消耗能量，而且消耗得还不少！此外，光合作用辛辛苦苦积累下来的生物质（biomass），也会损耗25%。据估计，对于大部分农作物而言，光呼吸所消耗的能量，对作物产量造成了20%-50%的损耗。

　　“仅仅在美国中西部，每年因为光呼吸而损失的卡路里，就能喂饱2亿人口。”本研究的负责人Donald Ort教授说道。

▲本研究的负责人Donald Ort教授（图片来源：伊利诺伊大学）

　　如果能杜绝这种浪费，不就有望增加植物的产量了吗？这正是研究人员们所着力的方向。我们知道，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。这种复杂的情况，要是能得到精简就好了。

　　研究人员们利用合成生物学的方法，设计了3种不同的“替代”通路。第一种替代通路里有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。此外，他们还使用了RNAi的方法，抑制植物体内的原始通路。

▲本研究设计的三种不同替代通路（图片来源：参考资料[1]）

　　温室筛选的结果发现，3种替代通路有着截然不同的表现。第一种通路下，植物的生物质增加了13%，第二种通路则没有带来什么明显变化。有趣的是，第三种通路在没有使用RNAi的情况下，生物质就增长了18%。如果使用RNAi，这一增长还能上升到24%！

▲左边四棵为对照组，右边四棵为经过改造的植物，你能看出区别吗？（图片来源：Claire Benjamin/RIPE Project）

　　温室的环境得到了严格的控制，适合植物生长。在野外环境下，这些植物是否还能保持如此明显的增长？

　　事实上，在田野间生长的植物，比温室里长得还要好！研究人员们统计了两个生长季的生长数据，发现相比野生型，经过基因改造的植物（第三种通路），其生物质提高了25%有余。辅以RNAi，增长更是超过40%。

▲研究人员们在田间取样（图片来源：Claire Benjamin/RIPE Project）

　　研究人员们把这种替代通路比作是巴拿马运河。这条运河的存在，大大提高了贸易的效率。而他们所设计的替代通路，则在植物体内提高了代谢效率，有着异曲同工之妙。

　　目前，这项研究主要在烟草中完成。研究人员们乐观地表示，由于光呼吸通路在大多数植物中都存在，这一策略有望用于多种作物的改造，最终提高作物的产量。对于大豆、豇豆、水稻、土豆、番茄、以及茄子的改造，正在进行之中。