你能想象美國(guó)，加拿大，墨西哥，巴西，英國(guó)和法國(guó)的整個(gè)人口都在挨餓嗎?你不需要想象。這正是每天全球估計(jì)有8.15億人挨餓的情況。從短期來(lái)看，隨著人口增長(zhǎng)，飲食變化和城市擴(kuò)張迫使農(nóng)民在較少的土地上生產(chǎn)更多的糧食，問(wèn)題可能會(huì)變得更加嚴(yán)重。最近的報(bào)告表明，到今天出生的孩子達(dá)到30歲時(shí)，地球必須將糧食產(chǎn)量提高至少70%。

作為一名生物化學(xué)家，我的職業(yè)生涯始于生物醫(yī)學(xué)研究，但2013年我轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)研究，因?yàn)槊總€(gè)人都需要吃東西?，F(xiàn)在，我正在與一個(gè)探索如何促進(jìn)糧食生產(chǎn)的國(guó)際研究項(xiàng)目合作。實(shí)現(xiàn)提高光合效率(RIPE)的目標(biāo)是提高光合作用的效率- 過(guò)程工廠用來(lái)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為我們吃的食物。在我們最近的出版物中，我們已經(jīng)證明，通過(guò)使植物更快地排除其毒素，可以顯著提高作物產(chǎn)量。

現(xiàn)在我們開(kāi)始開(kāi)發(fā)新作物至關(guān)重要，因?yàn)檗r(nóng)業(yè)創(chuàng)新至少需要十年才能到達(dá)農(nóng)民手中。

光呼吸是一種能量需求過(guò)程

在光合作用方面，植物利用陽(yáng)光為化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖，氧和能量。但這并不是植物中唯一發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。蛋白質(zhì)進(jìn)化過(guò)程中的一個(gè)怪癖叫做Rubisco，有時(shí)它不是在光合作用過(guò)程中轉(zhuǎn)化二氧化碳，而是使用氧氣代替。這會(huì)產(chǎn)生諸如乙醇酸和氨的廢物，這些廢物可能對(duì)植物有毒并且減緩或阻礙它們的生長(zhǎng)。

為了去除這些有毒化學(xué)物質(zhì)，另一個(gè)過(guò)程需要開(kāi)始。光呼吸是天然植物新陳代謝的一部分，可以回收這些毒素。這是主要作物的必要過(guò)程，包括大米，小麥和大豆，以及大多數(shù)水果和蔬菜作物。

回收這些有毒的副產(chǎn)品會(huì)吸收大部分植物的能量 - 并且可以抑制植物的生長(zhǎng)超過(guò)30%。在較高的溫度下，植物傾向于增加它們轉(zhuǎn)化的氧氣量，因此隨著生長(zhǎng)季節(jié)溫度的升高和熱浪的襲擊，光合作用產(chǎn)生的光能量高達(dá)50%可用于回收主要作物如小麥等的毒素。大豆。這削弱了世界上較熱和較干旱地區(qū)的產(chǎn)量，例如最需要食物的撒哈拉以南非洲和東南亞地區(qū)。

為了滿足日益增長(zhǎng)的糧食產(chǎn)量需求，我與一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)合作，探討加快光呼吸是否會(huì)提高作物產(chǎn)量。

使光呼吸更快

這項(xiàng)工作由Christine Raines教授和埃塞克斯大學(xué)和美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(USDA-ARS)的主要作者Patricia Lopez-Calgano領(lǐng)導(dǎo)，探討了這種修改是否可以促進(jìn)煙草植物的生產(chǎn)。

我們?cè)O(shè)法通過(guò)設(shè)計(jì)生產(chǎn)更多蛋白質(zhì)的植物來(lái)加速這些毒素的再循環(huán)，這種蛋白質(zhì)被稱為H蛋白，已經(jīng)存在于我們的作物植物中并在光呼吸中發(fā)揮作用。以前的工作中使用植物研究的小植物擬南芥的“小白鼠”的實(shí)驗(yàn)室，建議增加H-蛋白的數(shù)量會(huì)加快光呼吸，使我們的植物生長(zhǎng)較大。我們的團(tuán)隊(duì)使用煙草煙草(Nicotiana tabacum)將這個(gè)想法從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到田間，我們?cè)谝晾Z伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校附近的研究現(xiàn)場(chǎng)工作，我在那里擔(dān)任USDA-ARS科學(xué)家。

我們很快發(fā)現(xiàn)，我們必須仔細(xì)控制我們?cè)O(shè)計(jì)的H-蛋白質(zhì)的數(shù)量。植物的所有部分中過(guò)多的H蛋白是有害的，阻礙了生長(zhǎng)并降低了煙葉的產(chǎn)量。因此，我們微調(diào)了我們的方法和工程植物，只在葉子中制造H蛋白。這增加了光合作用和植物生長(zhǎng)，可能是因?yàn)橛卸净瘜W(xué)物質(zhì)的更快回收。

利用生物技術(shù)改善作物

我們?cè)跓煵葜袦y(cè)試了我們的假設(shè)，因?yàn)樗歉拍铗?yàn)證研究的優(yōu)秀模型。它很容易進(jìn)行基因工程改造，只有四個(gè)月的生命周期，這使我們能夠在一個(gè)野外季節(jié)進(jìn)行多次試驗(yàn)。這使我們能夠測(cè)試煙草中的各種遺傳修飾，然后將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)糧食作物的改良。

為了微調(diào)H蛋白的表達(dá)，研究小組使用來(lái)自近親，馬鈴薯或馬鈴薯的DNA來(lái)設(shè)計(jì)煙草。使用已知的馬鈴薯DNA序列，我們能夠在所需的葉組織中特異性地增強(qiáng)H蛋白。事實(shí)證明這是在不損害工廠的情況下提高產(chǎn)量的關(guān)鍵。

最初，我懷疑在植物中增加數(shù)千種單一蛋白質(zhì)的產(chǎn)量會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生如此巨大的影響。但是，經(jīng)過(guò)兩年的田間試驗(yàn)，我和我的同事已經(jīng)證明，增加H蛋白水平會(huì)導(dǎo)致更大的植物，使作物產(chǎn)量提高27-47%。

你可能想知道含有額外H蛋白的植物是否可以安全食用?現(xiàn)在回答這個(gè)問(wèn)題還為時(shí)過(guò)早。一旦我們?cè)O(shè)計(jì)出“高H蛋白糧食作物”，這些植物必須被證明是安全的，其中包括過(guò)敏原和環(huán)境影響，然后這些轉(zhuǎn)基因植物才會(huì)獲得FDA和USDA的批準(zhǔn)。

這些產(chǎn)量較高的作物將是轉(zhuǎn)基因生物

由于部分DNA來(lái)自外源(馬鈴薯)，因此這些植物被認(rèn)為是轉(zhuǎn)基因生物或轉(zhuǎn)基因生物。毫無(wú)疑問(wèn)，將轉(zhuǎn)基因生物作為我們食物來(lái)源的一部分的想法是相當(dāng)有爭(zhēng)議的。

許多人拒絕使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，一些國(guó)家禁止或限制其食品供應(yīng)。然而，許多研究表明，轉(zhuǎn)基因生物可以安全食用，包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)院，工程和醫(yī)學(xué)院的這份明確報(bào)告。我們認(rèn)為，利用這項(xiàng)技術(shù)提高作物產(chǎn)量非常重要，因此農(nóng)民和消費(fèi)者可以獲得許多高產(chǎn)選擇。

創(chuàng)造新作物有不同的技術(shù)，包括傳統(tǒng)的作物育種技術(shù)，轉(zhuǎn)基因生物和最近基于CRISPR的基因編輯技術(shù) - 這使我們可以直接重寫植物的DNA而不添加外源基因。但無(wú)論采用何種技術(shù)，目標(biāo)都是相同的：生產(chǎn)能夠在農(nóng)民田里茁壯成長(zhǎng)的植物，為每個(gè)人創(chuàng)造更安全和可持續(xù)的食物供應(yīng)。

我們的下一個(gè)目標(biāo)是提高重要糧食作物中的H蛋白水平，包括豆類 - 大豆和豇豆 - 以及作為全球主要主食的塊根木薯。如果我們能夠?qū)⑦@些目標(biāo)植物的產(chǎn)量提高27%至47%，與本研究中觀察到的相似，那么到2050年實(shí)現(xiàn)另外20億至30億人口的目標(biāo)將大大有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。