生物工程更好的光合作用可提高重要粮食作物的产量

RIPE(实现提高光合效率)的研究人员首次证明，光合作用的多基因生物工程在田间试验中提高了主要粮食作物的产量。经过十多年的努力实现这一目标，诺伊大学研究人员领导的合作团队对大豆植物进行了转基因改造，以提高光合作用的效率，从而在不损失质量的情况下提高产量。

RIPE项目研究科学家AmandaDeSouza博士说：“这项工作的主要影响是开辟了道路，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。”“这是确认RIPE项目根深蒂固的想法是提高主要粮食作物产量的成功手段的开始......受粮食不足影响的人数继续增加，预测清楚地表明需要有一个改变食物供应水平以改变轨迹。我们的研究显示了一种有效的方法，可以为最需要粮食的人提供粮食安全，同时避免将更多土地投入生产。改善光合作用是获得所需产量潜力跳跃的重要机会。

DeSouza是研究人员在《科学》杂志上发表的论文的主要作者，该论文的标题是“通过加速从光保护中恢复来提高大豆光合作用和作物产量。”

数据表明，粮食供应的增长速度不足以保证所有人的粮食安全。据联合国儿童基金会称，到2030年，预计将有超过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食品供应链(获取食物)和气候变化导致作物生长条件更加恶劣。RIPE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增加全球粮食产量，得到比尔和梅琳达盖茨基金会、粮食与农业研究基金会和英国的支持外交、联邦和发展办公室。

作者写道，获得单位土地面积可实现更高产量的种子将是减少粮食短缺并为较贫困地区提供粮食安全的一种方式，而无需增加生产种子所需的土地数量。“改善光合作用已被认为是获得所需产量潜力跳跃的主要机会。”

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多步过程，RIPE研究人员十多年来一直致力于改进这一过程。对于他们新发表的作品，该小组改进了大豆植物内的VPZ结构以改善光合作用。然后他们进行了田间试验，看看产量是否会因此提高。

VPZ结构包含三个编码叶黄素循环蛋白质的基因，叶黄素循环是一种有助于植物光保护的色素循环。一旦处于充足的阳光下，这个循环就会在叶子中被激活，以保护它们免受损害，让叶子消散多余的能量。研究人员解释说：“植物通过诱导一种称为非光化学猝灭(NPQ)的机制，在充足的阳光下消散可能具有破坏性的过量吸收光能。”然而，当树叶被遮蔽(被其他树叶、云彩或在天空中移动的太阳遮挡)时，这种光保护作用需要关闭，这样树叶才能在储备阳光的情况下继续进行光合作用过程。

植物需要几分钟才能关闭保护机制，从而浪费植物本可用于光合作用的宝贵时间。“......在作物冠层内频繁发生遮阳转换后，NPQ机制放松缓慢，”该团队继续说道。事实上，研究表明，这会导致7.5%到30%的光化学能量损失，而这些能量本来可以用于光合作用。“对于大豆作物的冠层，这种在遮阳过渡时缓慢的NPQ放松被计算为每日碳同化的11%以上，”他们进一步评论道。

来自VPZ构建体的三个基因的过度表达加速了松弛光保护的过程，因此每当叶子从光照过渡到阴影时，光保护就会更快地关闭。叶子获得额外的光合作用分钟数，当在整个生长季节加起来时，会增加总光合速率。

该团队的新研究表明，这些修改使产量提高了20%以上，而且重要的是，不会影响种子质量。“尽管产量更高，但种子蛋白质含量没有变化，”共同作者、RIPE主任StephenLong和Ikenberry捐赠的诺伊州CarlR.Woese基因组生物学研究所作物科学和植物生物学大学说。“这表明从改进的光合作用中获得的一些额外能量可能转移到了植物根瘤中的固氮细菌中。”

研究人员首先在烟草植物中测试了他们的想法，因为这种作物的遗传基因很容易转化，而且单株植物可以产生大量种子。这些因素使研究人员能够在几个月内从遗传转化到田间试验。他们指出，一旦这个概念在烟草中得到证实，他们就开始了更复杂的任务，将遗传学应用于粮食作物大豆，大豆是第四大最重要的粮食作物，也是植物蛋白最重要的单一来源。

在评论他们的结果时，该团队指出，“在重复的田间试验中，波动光下的光合效率更高，五个独立转化事件中的种子产量增加了高达33%。尽管种子数量增加，但种子蛋白质和油含量没有改变……这证实提高光合效率是可持续增加作物产量以支持未来全球粮食安全的一项急需战略。”

Long补充说：“现在烟草和大豆这两种截然不同的作物都显示出非常显着的产量增长，这表明这具有普遍适用性。我们的研究表明，实现产量提高受到环境的强烈影响。确定该结果在不同环境中的可重复性以及进一步改进以确保增益的环境稳定性至关重要。”

RIPE项目及其赞助商致力于确保全球访问，并使最需要它们的农民可以获得该项目的技术。如此重大的结果来得正是时候。联合国最近的一份报告发现，到2021年，世界上将近10%的人口处于饥饿状态，这种情况在过去几年中一直在稳步恶化，并且在规模上超过了对全球健康的所有其他威胁。

在他们的论文中，作者得出结论，他们的结果表明“......在田间条件下，提高光合效率的直接生物工程导致主要粮食和饲料作物复制地块的产量增加。”虽然没有向大豆作物中添加氮肥，“……在蛋白质、氮和油含量没有任何减少的情况下生产了更多的种子，表明这是实现可持续增加产量的一种手段，迫切需要帮助确保未来的粮食安全。”

Long进一步表示，“对我个人来说，这是一条超过四分之一个世纪的道路。首先从对作物光合作用理论效率的理论分析开始，通过高性能计算模拟整个过程，然后应用优化程序，指出我们作物过程中的几个瓶颈。过去十年的资金支持现在使我们能够通过工程缓解其中一些瓶颈并在现场规模测试产品。经过多年的考验和磨难，看到团队取得如此惊人的成绩，真是令人欣喜若狂。”

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