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        研究發現光合作用升級秘籍,使大豆產量提高33%

        2023-07-11 23:15:07 世界農化網

        世界農化網中文網 報道: 受糧食短缺影響的人口正在增加。實現單位面積增產,是解決糧食安全、土地不足的有效途徑。而″改善光合作用″被認為是實現產量躍升的主要途徑之一。

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


        (資料圖片僅供參考)

        這一研究結果以″Soybean photosynthesis and crop yield are improved by accelerating recovery from photoprotection″一文發表在 Science 上。就全球總產量而言,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民的收入。

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

        針對該研究成果,Long 認為″它將適用于大多數作物,我們也正在研究豇豆和水稻?!逶谶@之前,已經有幾個研究團隊通過升級光合作用來促進煙草等植物的生長,但該研究是第一次針對糧食作物的田間試驗。

        Stephen Long 是美國國家科學院(NAS)、美國科學院(AAAS)和美國植物生物學學會(ASPB)會員及英國蘭開斯特大學皇家學會作物科學系教授研究員。他致力于了解光合作用及其在全球氣候變化下的適應性,以提高生物能源和糧食作物的產量。他的成就包括發現已知的生產力最高的陸地植物——一種來自亞馬遜的草,以及開發了第一個完整的光合作用過程動態模型,該模型現成為設計改進光合作用的工具。他還將芒草(Miscanthus)確定為最具生產力的溫帶植物之一,因此芒草已成為歐洲和北美的主要可持續生物能源選擇。

        ″我們認為通過改良光合作用,有可能獲得高達 50% 的產量提高?!錖ong 說,″如果能夠實現這一目標,那將稱得上綠色革命?!寰G色革命是指由于作物品種和其他技術的改良,在上世紀 50-60 年代實現的農作物大規模產量提高。

        那么研究人員是如何對大豆進行基因編輯提升光合效率的呢?

        簡言之,轉基因大豆具有更高的產量是因為它們更好地適應″從光照到陰暗″的變化,反之亦然。

        當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所能處理的光能要多,而這會損害植物細胞。這時,為了避免過多的光能損害,植物會開啟一種稱為″非光化學淬火(nonphotochemical quenching,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。它涉及通過增強內部轉化為基態(非輻射衰變)來淬滅單線態激發態葉綠素(Chl),從而通過分子振動無害地消散多余的激發能量作為熱量。當光照強度恢復正常時,NPQ 又會被關閉,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行光合作用的真核生物中。

        然而,大多數作物打開和關閉 NPQ 的過程相當緩慢,并因此損失了大量能量。

        Long 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。而現在,在栽種條件下它們生長得非常緊密,太陽當空時,大多數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閉 NPQ?!錖ong 說。他的團隊受此啟發,在大豆中添加了參與 NPQ 過程的三個基因的額外拷貝,導致了更高水平的編碼蛋白、加速了 NPQ 關閉過程,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 轉基因的過表達導致大豆產量顯著提高。在 8 個獨立的轉基因品系中,5 個系的大豆產量顯著提高,且沒有品系產量降低。與野生大豆相比,這五個轉基因品系的產量平均增加 24.5%,其中 ND-18-34A 品系的差異最大,高達 33%。提高的產量得益于每株植物籽粒數量的提高。

        值得注意的是,雖然″不給大豆作物施肥,但蛋白質含量沒有改變?!錖ong 說。這很重要,因為大豆是全球蛋白質的主要植物來源。

        ″這項研究非常令人興奮?!迦蜓芯恐行?Breakthrough Institute 高級糧食和農業分析師 Emma Kovak 表示,農業占所有溫室氣體排放量的三分之一,增產不僅有助于減少溫室氣體排放,而且通過減少森林砍伐,還有助于保護植物生物多樣性和野生動物棲息地。

        Kovak 此前估計,僅在美國,大豆作物的產量增加 15% 將減少相當于 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量增長已經趨于穩定,而除了面臨氣候變化外,世界人口還正在增長?!逵H怂勾髮W生物科學教授 Christine Raines 說,她的團隊也正在研究另一種促進光合作用的方法。

        ″我們還需要以可持續的方式提高產量,例如,就像這項研究表明的那樣,不需使用額外的氮肥?!錜aines 說。

        考慮到大多數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研究,以期產生巨大的環境效益。

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