科学家调整植物基因以增强光合作用并提高作物产量

地球正在变暖。不仅如此，地球也变得比以往更加拥挤。这给地球上的每个人和每样事物都带来了问题。面对全球气候变化，农民将面临两个独特的挑战：农作物需要承受更热、更干燥的条件，农场需要养活更多的人。我们炎热、拥挤的未来的独特问题需要独特的解决方案。

研究人员本周宣布，他们已经找到了一种提高农作物产量的方法，即通过基因水平改变植物，使其更有效地利用太阳能。科学家们希望这将有助于农民满足不断增长的人口的需求。“我们的目标是让世界各地的贫困农民都能从中受益，”参与该项目的研究人员之一克里希纳·尼约吉 (Krishna Niyogi) 告诉《大众科学》 。“常规的植物育种无法实现这一目标。”

为了提高作物产量，科学家首先必须克服植物的天然防御系统。当植物发现自己吸收的阳光超过其所能承受的量时，其细胞就会启动一个过程来处理所有这些过剩的光能。这一过程被称为叶绿素荧光的非光化学猝灭 (NPQ)，它使植物能够将多余的光能释放为热量，这样植物就不会被灼伤。当太阳在天空中移动，阴影再次覆盖植物时，NPQ 就会减慢。但这需要一段时间，在 NPQ 放松期间，光合作用仍然很慢。

这是植物随着时间的推移而进化而来的一种自然防御，这对植物来说是一件好事。但农业并不是让植物做它们自然的植物本能。农业是利用植物为人类带来最大的利益。21 世纪的农业是开发作物和耕作方法，帮助人口激增的人们应对气候变化的影响。NPQ 对农业的不利之处在于，它使农作物错失了大量光能，而这些光能原本可以用来从它们吸收的二氧化碳中生产更多的糖分——以及水果、蔬菜等，因此科学家们想知道他们是否能够改变 NPQ 以更好地利用这些损失的能量。

来自多个研究机构的科学家团队找到了一种方法来调整与烟草植物中的 NPQ 相关的基因，这样一旦它们不再处于烈日下，它们就会更快地放松或停止 NPQ。这些变化导致三种参与减缓 NPQ 过程的蛋白质的产量增加。通过加快 NPQ 的放松，研究人员将烟草植物的光合作用效率提高了约 15%。

那么这是否意味着烟草产量将增加 15%？不。“我们的目标当然不是​​提高烟草的产量，”Niyogi 说。“我们使用烟草是因为它在实验室中易于操作，而且它的冠层与粮食作物相似。”目前这只是一个概念验证实验，这意味着科学家只是想向世界展示这是可以做到的。Niyogi 说，由于他的团队的方法使用了所有植物中都存在的基因和蛋白质，因此这些结果可能适用于许多作物——尤其是木薯、高粱和大米等全球主食。因此，如果这项技术通过进一步研究在其他植物中得到验证，它可能会应用于世界各地，帮助许多人实现粮食安全。

“这真是太神奇了，”加州大学洛杉矶分校的生物化学家 Sabeeha Merchant（未参与这项研究）告诉《洛杉矶时报》 。“如果这种技术可以应用到我们所有的食品、饲料和燃料作物中，那么它肯定可以解决我们十年或更长时间对这些农产品的需求。”