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过度的光合作用可以多生长40%的食物
四株未经修饰的植物(左)生长在四株改造过的植物(右)旁边。改造后的工厂能够再投资能源和资源,将生产率提高40%。资料来源:克莱尔·本杰明/成熟项目,CC BY-ND

如果你养活自己的能力依赖于一个出错几率高达20%的过程,那该怎么办?

我们每天都面临这种情况。这是因为生产我们吃的食物的植物演变为解决数十亿年前的化学问题。植物进化使用二氧化碳使我们的食物和我们呼吸的氧气 - 一种称为光合作用的过程。但他们生长得如此美好,并产生了这么多的氧气,这种气体开始主导大气。植物,二氧化碳和氧气看起来非常相似,有时,植物使用氧代替二氧化碳。当发生这种情况时,产生有毒化合物,从未实现的小麦和大豆产量下降低了作物产量,每年花费148万亿卡路里 - 或足够的卡路里喂养2亿人整整一年。

改善作物产量在减少土地上生长更多的食物并不是一个新的挑战。但随着全球人口的增长和饮食变化,问题变得越来越紧迫。似乎有可能我们之间必须增加粮食生产25 - 70到2050年,要有足够的食物供应。

作为一个植物生物化学家,我对整个职业生涯的光合作用是着迷的,因为我们欠我们整个流程的全部存在。我对农业研究的兴趣受到这一挑战:植物饲料的人,我们需要快速开发解决方案来喂养更多人。

Amanda Cavanagh在专门的温室中测试改良的烟草植物,选择遗传设计,促进关键食物作物的产量。

Amanda Cavanagh测试了改良烟草
植物在专门的温室到
选择具有遗传设计的
提高关键粮食作物的产量。资料来源:克莱尔·本杰明/成熟项目,CC BY-ND

增压光合作用以增长更多食物

无论它们是通过遗传方法还是传统育种,可能需要几十年的农业创新,如改进种子,如改良种子。这高产作物品种在第一次绿色革命期间培育的,通过增加比例,帮助防止了20世纪60年代的粮食短缺谷物对植物生物质。它是含有大部分植物的消耗卡路里的谷物,所以拥有更多的谷物而不是稻草意味着更多的食物。但大多数作物现在都得到了改善,他们接近他们的理论极限

我致力于一个称为实现的国际项目增加了光合效率(成熟的),它采用了另一种方法。我们正在通过提高光合作用的效率来提高产量——植物利用光合作用将二氧化碳和水转化为更高的产量。在我们最新的出版物在美国,我们展示了一种方法,通过改变我们大多数主食作物常见的一系列化学反应,可以将作物产量提高40%。

光响应是很多能量

三分之二的卡路里我们的全球消费直接或间接来自四种作物:水稻、小麦、大豆和玉米。其中,前三种被光合作用的一个小故障所阻碍。通常,从大气中捕捉二氧化碳的酶,叫做Rubisco,将二氧化碳转化为糖和能量。但是在五分之一的化学反应中,Rubisco会出错。相反,这种酶会抓住一个氧分子。这种化学反应产生的不是糖和能量,而是对植物有毒的乙醇酸和氨。为了解决这个问题,植物进化出一种被称为“光呼吸”的能量消耗过程,可以循环利用这些有毒化合物。但是毒素回收需要大量的能量,所以植物生产的食物更少。

光呼吸作用需要大量的能量,一些植物,如玉米,以及光合细菌和藻类,已经进化出了阻止Rubisco暴露在氧气中的机制。其他生物,如细菌,已经进化出更有效的方法来清除这些毒素。

这些自然的解决方案激发了许多研究人员试图通过调整光呼吸来提高作物产量。一些更有效的自然循环途径已经被基因工程处理过在温室和实验室条件下改善其他植物的生长和光合作用。另一个策略一直是修改自然光呼吸并加快回收。

化学绕行提高了作物产量

红车代表未修改的植物,这些工厂使用称为光素的迂回和能量昂贵的过程,其成本产生潜力。蓝色汽车代表工厂设计的植物与捷径光留的换算,使这些植物能够节省燃料并将其能量加强,以使生产率提高到40%的高度。

红色的车代表未经改造的植物
谁用了迂回和
来说过程被称为
光呼吸消耗产量
的潜力。蓝色的车代表
用替代品设计的植物
到快捷方式的光留光,
使这些工厂节省燃料和
重新投资他们的精力来推动
生产力提高了40%。信贷:成熟,CC BY-SA

光呼吸的这些直接操作是未来作物改良的关键目标。化石燃料消耗增加了大气中的二氧化碳,促进了光合作用,使植物能够利用更多的碳。您可能会认为这将解决抓氧的错误。但是,较高的温度通过光呼吸作用促进有毒化合物的形成。我们预计,即使二氧化碳水平翻倍以上收成损失了18%因为随之而来的是近4摄氏度的气温上升。我们不能依赖不断增加的二氧化碳水平来种植到2050年我们所需的所有食物。

与我一起工作保罗南他是美国农业部的研究分子生物学家,农业研究服务和教授不支持是一位专业从事伊利诺伊大学作物科学的生物学家,探讨了修改光素的化学反应是否会提高作物产量。一种元素使毒素糖酸酸酸酸率效率低下是它在植物细胞内部移动到三个隔间。这就像铝合金可以进入三个单独的回收植物。我们设计了三个新的捷径,可以在一个位置回收化合物。我们还阻止了自然过程发生。

设计在硅;在土壤中测试

农业研究创新可以在模式物种中迅速得到检验。烟草非常适合这种情况,因为它很容易进行基因改造并在田间种植。烟草的另一个优点是,它的生命周期很短,可以产生很多种子,并形成与其他大田作物类似的多叶树冠,所以我们可以在短时间内测量基因改变的影响。然后我们就可以确定烟草中的这些改变是否可以转化为我们想要的粮食作物。

我们用独特的基因组合改造和测试了1200种烟草植物,以找到最有效回收乙醇酸的基因组合。然后我们让这些转基因的二氧化碳植物挨饿。这引发了毒素乙醇酸的形成。然后我们确定了哪些植物生长得最好——这些植物的基因组合能够最有效地回收毒素。在接下来的两年里,我们进一步在真实的农业条件下测试了这些植物。拥有最佳基因组合的植物比未转基因的植物提前一周开花,长得更高,体积约40%。

经过两年多的田间试验,科学家Donald Ort(右)、Paul South(中)和Amanda Cavanagh(左)发现,改造了光呼吸作用的烟草植物在真实的田间条件下更有生产力。现在,他们正在转化这种技术,希望提高主要粮食作物的产量,包括大豆、水稻、豇豆和木薯。

经过两年多的田间试验,
科学家唐纳德·Ort(右)和保罗
南(中)和阿曼达·卡瓦纳
(左)发现转基因烟草植物
修饰光呼吸的则更多
实际油田生产
条件。现在他们在翻译
这项技术希望能促进
主要粮食作物产量包括
大豆,米饭,豇豆和木薯。资料来源:克莱尔·本杰明/成熟项目,CC BY-ND

已在烟草行业中得到概念证明在美国,我们开始在粮食作物上测试这些设计:大豆、豇豆、水稻、土豆、西红柿和茄子。很快,我们就会更好地了解通过我们的改良,我们能在多大程度上提高这些作物的产量。

一旦我们证明我们的发现可以转化为粮食作物,美国食品和药物管理局(food and Drug Administration)和美国农业部(USDA)将严格测试这些转基因植物,以确保人类食用它们是安全的,不会对环境造成风险。这种检测的成本可能高达1.5亿美元,而且需要10年以上的时间。

由于光呼吸作用过程在所有植物物种中都很常见,我们乐观地认为,我们的策略将使作物产量增加近40%,并帮助找到一种方法,在更少的土地上种植更多的粮食,从而能够在2050年前养活饥饿的全球人口。谈话

Amanda Cavanagh是伊利诺伊大学Carl R. Woese生物学研究所的博士后研究员工。这件作品首先出现在谈话

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