近日，中國生物多樣性保護與綠色發展基金會（簡稱中國綠髮會，綠會）國際部從國際知名期刊獲悉一文——《生物工程改善光合作用可以提高糧食作物的產量》（Bioengineering better photosynthesis increases yields in food crops）。綠會國際部現將該文整理編譯如下，供感興趣的讀者參考。

大豆冠層中的光。圖片來源

：Allison Arp/RIPE

專案

在大田試驗中，

RIPE

的研究人員首次證明了光合作用的多基因生物工程可以提高一種主要糧食作物的產量。經過十多年的努力，由伊利諾伊大學

（

University of Illinois

）領導的一個合作團隊對大豆進行了轉基因改造，以提高光合作用的效率，在不損失質量的情況下獲得更高的產量。

如此重大的結果出現在一個非常關鍵的時刻。聯合國最新報告《

2022

年世界糧食安全和營養狀況》發現，

2021

年，近

10%

的世界人口處於飢餓狀態，在過去幾年裡，這一狀況一直在不斷惡化，在規模上超過了對全球健康的所有其他威脅。聯合國兒童基金會預計，到

2030

年，將有超過

6。6

億人面臨糧食短缺和營養不良。造成這種情況的兩個主要原因是低效的糧食供應鏈

（獲取糧食）

和氣候變化造成的作物生長條件惡劣。改善貧困地區的糧食獲取和提高糧食作物的可持續性是本研究和

“成熟”專案的關鍵目標。

實現提高光合效率是一個國際研究專案，旨在透過提高撒哈拉以南非洲小農糧食作物的光合效率來提高全球糧食產量。

“受糧食短缺影響的人數繼續增長，預測清楚地表明，需要改變糧食供應水平來改變這一軌跡，”“成熟”專案研究科學家、第一作者阿曼達·德·索薩（

Amanda De Souza

）

說。

“我們的研究顯示了一種有效的方法，可以幫助最需要糧食的人實現糧食安全，同時避免更多土地被投入生產。改善光合作用是獲得所需產量增長潛力的一個重要機會。”

光合作用是所有植物將陽光轉化為能量和產量的自然過程，是一個效率低得驚人的

100

多個步驟的過程，成熟的研究人員十多年來一直在努力改進這個過程。在最近發表在《科學》

（

Science

）

雜誌上的這項史無前例的研究中，研究小組改進了大豆植株內的

VPZ

結構，以提高光合作用，然後進行了田間試驗，看看產量是否會因此提高。

VPZ

包含三個編碼葉黃素週期蛋白質的基因，葉黃素週期是一種色素週期，有助於植物的光保護。一旦在充足的陽光下，這個迴圈在葉子中被啟用，以保護它們免受傷害，讓葉子消散多餘的能量。然而，當樹葉被遮蔽時

（被其他樹葉、雲或天空中移動的太陽），這種光保護就需要關閉，這樣葉子就可以繼續進行光合作用，保留一定量的陽光。植物需要幾分鐘才能關閉保護機制，從而浪費了植物原本可以用來進行光合作用的寶貴時間。

VPZ

結構中的三個基因的過表達加速了這一過程，所以每當葉子從光到暗的轉變時，光保護就會更快地關閉。葉子獲得了額外的光合作用時間，當整個生長季節加在一起時，增加了總光合速率。這項研究表明，儘管產量提高了

20%

以上，但種子質量沒有受到影響。

“儘管產量更高，但種子蛋白質含量沒有變化。這表明，從改善光合作用中獲得的一些額外能量可能被轉移到植物根瘤中的固氮細菌，”成熟植物研究所主任

Stephen Long

說，他是伊肯伯裡大學作物科學和植物生物學主席，伊利諾伊州卡爾·

r

·沃斯基因組生物學研究所。

研究人員首先在菸草植物上測試了他們的想法，因為改變菸草的基因很容易，而且單一植物可以產生大量的種子。這些因素使得研究人員可以在幾個月內從基因轉化到實地試驗。一旦這一概念在菸草上得到證實，他們就開始了一項更復雜的任務，即把這種基因植入糧食作物大豆中。

現在菸草和大豆這兩種截然不同的作物的產量都有很大的增長，這表明這種方法具有普遍適用性。

”“我們的研究表明，實現增產很大程度上受到環境的影響。關鍵是要確定該結果在不同環境中的可重複性，並進一步改進，以確保獲得的環境穩定性。”

今年還將對這些轉基因大豆進行更多的實地試驗，預計將在

2023

年初取得結果。

De Souza

說

：

“這項工作的主要影響是打開了一條道路，表明我們可以透過生物工程進行光合作用，並提高產量，以增加主要作物的糧食產量。”“這是一個開始，它證實了‘成熟’專案根深蒂固的理念是提高主要糧食作物產量的成功手段。”

“成熟農業技術專案”

（

RIPE

）

及其支持者致力於確保全球獲取該專案技術，並將其提供給最需要的農民。

他說

：

“對我個人來說，這是一條超過四分之一個世紀的路。“首先對作物光合作用的理論效率進行理論分析，透過高效能計算模擬整個過程，然後應用最佳化程式，指出我們的作物在這個過程中的幾個瓶頸。過去十年的資金支援使我們能夠減輕一些已指出的瓶頸，並在現場規模測試產品。經過多年的考驗和磨難，看到球隊取得如此輝煌的成績是非常值得的。”

原文作者：伊利諾伊大學香檳分校

原文參看：

https：//phys。org/news/2022-08-bioengineering-photosynthesis-yields-food-crops。html

整理

： Lucy

稽核：Maggie