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-香檳分校高階研究中心

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後，

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。

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，那麼將大有助於減少森林砍伐、溫室氣體排放和生物多樣性的喪失，並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，旨在透過改善光合作用來提高作物產量，並使這些升級後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，並嘗試將其結合起來，以實現更顯著的產量增加。

針對該研究成果，

Long

認為

“它將

適用於大多數作物，我們也正在研究豇豆和水

稻。”

在這之前，已經有幾個研究團隊透過升級光合作用來促進菸草等植物的生長，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。他致力於瞭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。他的成就包括髮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。

▲圖 | Stephen Long（來源：［3］）

“我們認為透過改良光合作用，有可能獲得高達 50% 的產量提高。”

Long

說，“如果能夠實現這一目標，那將稱得上綠色革命。”綠色革命是指由於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。

那麼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。

當一片葉子處於充足的陽光下時，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餘的能量。

NPQ 機制使得植物吸收的光能不再被用於光合作用，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。它涉及透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），從而透過分子振動無害地消散多餘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 幾乎存在於所有能進行光合作用的真核生物中。

然而，大多數作物開啟和關閉 NPQ 的過程相當緩慢，並因此損失了大量能量。

Long

說，目前還不確定為什麼會這樣，可能是由於許多作物的野生祖先生長在半乾旱的條件下，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。

（來源：［2］）

能說明這一點的是，“一些野生植物，如蕨類植物，確實會更快地開啟或關閉 NPQ。”

Long

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複製，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%

。提高的產量得益於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。”

Long

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。”全球研究中心 Breakthrough Institute 高階糧食和農業分析師

Emma Kovak

表示，農業佔所有溫室氣體排放量的三分之一，增產不僅有助於減少溫室氣體排放，而且透過減少森林砍伐，還有助於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% 將減少相當於 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於穩定，而除了面臨氣候變化外，世界人口還正在增長。”英國埃塞克斯大學生物科學教授

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。”

Raines

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。