2018年,全世界的(de)人口达到了76亿。照这(zhei)一(yi)趋(qu)势,在本世纪中期,全球(qiu)人口总数将超过100亿。如果这(zhei)一(yi)趋(qu)势成为现实(shi),那(nei)么,一(yi)个很现实(shi)的(de)问题就摆在了面前:谁来(lai)填饱我们的(de)肚(du)子(zi)?

▲100亿人口的肚子,怎么才能填饱?(图片来源:Pixabay)▲100亿人口的肚子,怎么才能填饱?(图片来源:Pixabay)

  饥(ji)饿距离城市居民来说(shuo),是一个非常陌生(sheng)的(de)词(ci)汇。但在科学家眼中,饥(ji)饿却可以预见。据估计(ji),为了养活这100亿人口,到(dao)本世(shi)纪中叶,全(quan)世(shi)界的(de)农业水平要比2005年提(ti)高60%-120%。

  一个字:难。

  但奇迹并非难以达成。在(zai)1960年(nian)到2005年(nian)的这45年(nian)里,全(quan)球作物产(chan)量从每公(gong)顷1.84吨,增(zeng)加到了(le)3.96吨,增(zeng)幅达135%。背(bei)后的原(yuan)因,在(zai)于杀(sha)虫(chong)剂和化肥(fei)的使(shi)用(yong),高产(chan)量品种(zhong)的培育,以及灌(guan)溉(gai)等技(ji)术的提(ti)升。

  未来(lai)的(de)(de)农业,同样需要(yao)来(lai)自这(zhei)些领域的(de)(de)突(tu)破。今天,发表在顶尖学术期刊(kan)《科(ke)学》上的(de)(de)一项研究,就带来(lai)了(le)一个好消息。通过(guo)(guo)对植(zhi)物(wu)进行(xing)生(sheng)化通路(lu)的(de)(de)改造,生(sheng)物(wu)学家(jia)们(men)找到了(le)一种带来(lai)超(chao)级(ji)农作物(wu)的(de)(de)方法。利用该方法,一部分实验植(zhi)物(wu)增重超(chao)过(guo)(guo)了(le)40%!

  我们知道(dao),植物(wu)是(shi)一种(zhong)神奇(qi)的(de)生物(wu)。从(cong)一颗种(zhong)子,长成一棵参天大树,它的(de)重量不(bu)(bu)知增(zeng)加了(le)几千(qian)几万(wan)倍。这(zhei)些(xie)质量不(bu)(bu)是(shi)来自土壤,而是(shi)来自空气(qi)中的(de)二氧化(hua)碳。

  在(zai)植(zhi)物(wu)中(zhong),存(cun)在(zai)一种(zhong)(zhong)(zhong)叫做RuBisCO的(de)(de)酶(mei)。在(zai)光合作(zuo)用时,这种(zhong)(zhong)(zhong)酶(mei)能够把空(kong)气中(zhong)的(de)(de)二氧(yang)(yang)化碳变成(cheng)糖分,成(cheng)为植(zhi)物(wu)体内的(de)(de)有机(ji)组成(cheng)部(bu)分。然而(er),这种(zhong)(zhong)(zhong)酶(mei)却(que)并非完美——它(ta)不但能识别二氧(yang)(yang)化碳,还能结合氧(yang)(yang)气。而(er)它(ta)与氧(yang)(yang)气的(de)(de)结合,则会生成(cheng)一种(zhong)(zhong)(zhong)有毒的(de)(de)代谢产物(wu)。

▲光呼吸会造成能量的浪费(图片来源:参考资料[2])▲光呼吸会造成能量的浪费(图片来源:参考资料[2])

  为(wei)了不让自己中毒(du),植(zhi)物不得不采用一种(zhong)叫(jiao)做光呼吸(photorespiration)的(de)生化通路,进行“排毒(du)”。但这(zhei)毕竟(jing)需要消耗(hao)能量,而且消耗(hao)得还(hai)不少!此(ci)外(wai),光合作(zuo)用辛(xin)辛(xin)苦(ku)苦(ku)积累下来(lai)的(de)生物质(biomass),也会损(sun)耗(hao)25%。据估(gu)计,对(dui)于大(da)部分农作(zuo)物而言,光呼吸所(suo)消耗(hao)的(de)能量,对(dui)作(zuo)物产量造成了20%-50%的(de)损(sun)耗(hao)。

  “仅仅在美国中西部,每年因为光呼吸(xi)而(er)损失的卡(ka)路(lu)里,就能喂饱2亿人口。”本研(yan)究的负责人Donald Ort教(jiao)授说道(dao)。

▲本研究的负责人Donald Ort教授(图片来源:伊利诺伊大学)▲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(jue)这(zhei)种浪(lang)费,不就有望增加植物(wu)的产量了吗?这(zhei)正是(shi)研究人员们所着力的方向。我们知道,光呼吸是(shi)一(yi)条(tiao)复(fu)(fu)杂(za)的生化通路,涉及(ji)9个(ge)酶催化的步(bu)骤,反应(ying)还会发生在(zai)叶绿体(ti)、过氧化物(wu)酶体(ti)、以及(ji)线粒体(ti)等多(duo)个(ge)不同的部位。这(zhei)种复(fu)(fu)杂(za)的情况,要(yao)是(shi)能得到(dao)精(jing)简就好(hao)了。

  研究(jiu)人员们(men)利用合成生物学的方法,设计(ji)了(le)3种(zhong)不同的“替代(dai)”通(tong)(tong)路(lu)。第(di)一种(zhong)替代(dai)通(tong)(tong)路(lu)里有(you)5种(zhong)酶,第(di)二(er)种(zhong)替代(dai)通(tong)(tong)路(lu)里有(you)3种(zhong)酶,第(di)三种(zhong)替代(dai)通(tong)(tong)路(lu)只需要(yao)2种(zhong)酶。此(ci)外,他们(men)还(hai)使用了(le)RNAi的方法,抑(yi)制植物体内(nei)的原始通(tong)(tong)路(lu)。

▲本研究设计的三种不同替代通路(图片来源:参考资料[1])▲本研究设计的三种不同替代通路(图片来源:参考资料[1])

  温(wen)室(shi)筛选的结果发现,3种(zhong)替代通路(lu)有(you)着(zhe)截然不同的表现。第一种(zhong)通路(lu)下(xia)(xia),植物的生物质(zhi)增加了13%,第二种(zhong)通路(lu)则没有(you)带来什么明显(xian)变化。有(you)趣的是,第三(san)种(zhong)通路(lu)在(zai)没有(you)使用(yong)RNAi的情况下(xia)(xia),生物质(zhi)就增长了18%。如果使用(yong)RNAi,这一增长还能上升(sheng)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)▲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(huan)境得到了严(yan)格的控制,适合植物生长(zhang)(zhang)。在野(ye)外(wai)环(huan)境下,这些植物是否还能保持如此明显的增长(zhang)(zhang)?

  事实(shi)上,在田野间(jian)生(sheng)长(zhang)的(de)植(zhi)物(wu),比温室里长(zhang)得还要好!研究人员们统(tong)计(ji)了两个生(sheng)长(zhang)季的(de)生(sheng)长(zhang)数据,发现相比野生(sheng)型,经过基因改造的(de)植(zhi)物(wu)(第三种(zhong)通路),其生(sheng)物(wu)质提高(gao)了25%有余。辅以(yi)RNAi,增(zeng)长(zhang)更(geng)是超过40%。

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

  研究(jiu)人员(yuan)们把这(zhei)种替(ti)代通路比作是(shi)巴拿(na)马运(yun)河。这(zhei)条运(yun)河的存(cun)在,大大提高了贸易(yi)的效率(lv)。而他们所设计(ji)的替(ti)代通路,则(ze)在植物体内提高了代谢效率(lv),有着(zhe)异曲同工之妙。

  目(mu)前,这项研(yan)究主要(yao)在烟草中(zhong)完成。研(yan)究人员们乐观地(di)表示(shi),由于(yu)(yu)光呼吸通(tong)路在大多数(shu)植物中(zhong)都存(cun)在,这一策(ce)略有望用于(yu)(yu)多种作物的改(gai)造(zao),最终提高作物的产量(liang)。对于(yu)(yu)大豆(dou)、豇豆(dou)、水(shui)稻、土豆(dou)、番(fan)茄、以及茄子(zi)的改(gai)造(zao),正在进行之(zhi)中(zhong)。