生物工程改善光合作用可以提高粮食作物的产量

近日，中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会，绿会）国际部从国际知名期刊获悉一文——《生物工程改善光合作用可以提高粮食作物的产量》（Bioengineering better photosynthesis increases yields in food crops）。绿会国际部现将该文整理编译如下，供感兴趣的读者参考。

大豆冠层中的光。图片来源:Allison Arp/RIPE项目

在大田试验中，RIPE的研究人员首次证明了光合作用的多基因生物工程可以提高一种主要粮食作物的产量。经过十多年的努力，由伊利诺伊大学（University of Illinois）领导的一个合作团队对大豆进行了转基因改造，以提高光合作用的效率，在不损失质量的情况下获得更高的产量。

如此重大的结果出现在一个非常关键的时刻。联合国最新报告《2022年世界粮食安全和营养状况》发现，2021年，近10%的世界人口处于饥饿状态，在过去几年里，这一状况一直在不断恶化，在规模上超过了对全球健康的所有其他威胁。联合国儿童基金会预计，到2030年，将有超过6.6亿人面临粮食短缺和营养不良。造成这种情况的两个主要原因是低效的粮食供应链（获取粮食）和气候变化造成的作物生长条件恶劣。改善贫困地区的粮食获取和提高粮食作物的可持续性是本研究和“成熟”项目的关键目标。

实现提高光合效率是一个国际研究项目，旨在通过提高撒哈拉以南非洲小农粮食作物的光合效率来提高全球粮食产量。

“受粮食短缺影响的人数继续增长，预测清楚地表明，需要改变粮食供应水平来改变这一轨迹，”“成熟”项目研究科学家、第一作者阿曼达·德·索萨（Amanda De Souza）说。“我们的研究显示了一种有效的方法，可以帮助最需要粮食的人实现粮食安全，同时避免更多土地被投入生产。改善光合作用是获得所需产量增长潜力的一个重要机会。”

光合作用是所有植物将阳光转化为能量和产量的自然过程，是一个效率低得惊人的100多个步骤的过程，成熟的研究人员十多年来一直在努力改进这个过程。在最近发表在《科学》（Science）杂志上的这项史无前例的研究中，研究小组改进了大豆植株内的VPZ结构，以提高光合作用，然后进行了田间试验，看看产量是否会因此提高。

VPZ包含三个编码叶黄素周期蛋白质的基因，叶黄素周期是一种色素周期，有助于植物的光保护。一旦在充足的阳光下，这个循环在叶子中被激活，以保护它们免受伤害，让叶子消散多余的能量。然而，当树叶被遮蔽时（被其他树叶、云或天空中移动的太阳），这种光保护就需要关闭，这样叶子就可以继续进行光合作用，保留一定量的阳光。植物需要几分钟才能关闭保护机制，从而浪费了植物原本可以用来进行光合作用的宝贵时间。

VPZ结构中的三个基因的过表达加速了这一过程，所以每当叶子从光到暗的转变时，光保护就会更快地关闭。叶子获得了额外的光合作用时间，当整个生长季节加在一起时，增加了总光合速率。这项研究表明，尽管产量提高了20%以上，但种子质量没有受到影响。

“尽管产量更高，但种子蛋白质含量没有变化。这表明，从改善光合作用中获得的一些额外能量可能被转移到植物根瘤中的固氮细菌，”成熟植物研究所主任Stephen Long说，他是伊肯伯里大学作物科学和植物生物学主席，伊利诺伊州卡尔·r·沃斯基因组生物学研究所。

研究人员首先在烟草植物上测试了他们的想法，因为改变烟草的基因很容易，而且单一植物可以产生大量的种子。这些因素使得研究人员可以在几个月内从基因转化到实地试验。一旦这一概念在烟草上得到证实，他们就开始了一项更复杂的任务，即把这种基因植入粮食作物大豆中。

现在烟草和大豆这两种截然不同的作物的产量都有很大的增长，这表明这种方法具有普遍适用性。”“我们的研究表明，实现增产很大程度上受到环境的影响。关键是要确定该结果在不同环境中的可重复性，并进一步改进，以确保获得的环境稳定性。”

今年还将对这些转基因大豆进行更多的实地试验，预计将在2023年初取得结果。

De Souza说:“这项工作的主要影响是打开了一条道路，表明我们可以通过生物工程进行光合作用，并提高产量，以增加主要作物的粮食产量。”“这是一个开始，它证实了‘成熟’项目根深蒂固的理念是提高主要粮食作物产量的成功手段。”

“成熟农业技术项目”（RIPE）及其支持者致力于确保全球获取该项目技术，并将其提供给最需要的农民。

他说:“对我个人来说，这是一条超过四分之一个世纪的路。“首先对作物光合作用的理论效率进行理论分析，通过高性能计算模拟整个过程，然后应用优化程序，指出我们的作物在这个过程中的几个瓶颈。过去十年的资金支持使我们能够减轻一些已指出的瓶颈，并在现场规模测试产品。经过多年的考验和磨难，看到球队取得如此辉煌的成绩是非常值得的。”

原文参看：https://phys.org/news/2022-08-bioengineering-photosynthesis-yields-food-crops.html

整理: Lucy
审核：Maggie
编辑：Pierre