基改提升光合作用效率 科學家盼增加農作物產量

基改提升光合作用效率 科學家盼增加農作物產量
實驗中的煙草葉,圓圈中的顏色標示出該範圍內NPQ活動水平。Photo Credit: Lauriebeth Leonelli and Matthew Brooks / UC Berkeley

我們想讓你知道的是

科學家透過基因改造技術,成功在實驗中提升煙草產量,希望未來可以把技術應用到其他農作物,以增加糧食供應。

光合作用讓植物能利用光能製造養份、儲存能量,對地球生態非常重要。植物在進行光合作用時會吸收二氧化碳,是地球碳循環的重要一環。而且植物能夠自行製造養份,也直接或間接地成為其他生物——包括人類——的食物。

植物的「太陽眼鏡」

然而,植物在猛烈的陽光下,會吸收到比它們所需還要多的光能,假如無法帶走這些能量,將帶來「過度激發」的傷害。因此在光照過強時植物有保護機制將過盛的光能帶走,其中一種稱為「非光化學猝滅」(non-photochemical quenching, NPQ),讓被激發的葉綠素把能量傳給其他物質,以熱能散發出去。

NPQ啟動的速度比關閉快,所以當強光出現時,植物的光合作用效率就會下降,環境轉暗後植物會取消保護機制,光合作用效率才慢慢上升。這個落差使強光消失後的一段時間,植物未能完全用盡環境光源去進行光合作用。

基改技術提升光合作用效率

對於野外植物而言,光合作用效率提升得較慢並非大問題,因為它們最重要還是生存及繁殖。不過對依賴農業生存的人類而言,輕微的改善也可以帶來顯著效果——提升農作物產量,增加糧食。

2004年,植物生理學家Stephen Long曾計算過,在中緯度地區的農田中,NPQ機制會減少植物把二氧化碳轉換成糖份高達30%。讀了Long的論文後,加州大學柏克萊分校的遺傳學家Krishna Niyogi就想到如何能夠快速關掉NPQ。

Niyogi的策略是為植物額外複製3組基因,這些基因跟關掉保護機制的蛋白質有關。他估計增加有關蛋白質,能夠加速關閉NPQ,令光合作用效率更快回到高效率狀態。

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Image Credit: Chris Burns / Science Magazine 影片截圖

實驗中,基改煙草產量增加

Long、Niyogi與他們的研究生從阿拉伯芥中提取有關基因,再插入一種煙草植物之中——選取這兩種植物,原因是前者已被大量研究,後者容易修改。經過實驗室及溫室的測試後,他們把這些經基因改造的煙草放到伊利諾州大學的試驗農田上種植,跟未經基改的煙草比較。

22天後他們量度發現,3種經基因改造的煙草,乾重(去水後重量)比原有品種高出14%至20%,它們的葉面面積及高度亦有增加,這些增長跟研究小組早前在溫室種植得出的數字相約。

Niyogi認為,在田野測試中看到這個增長實在驚人。研究基改作物、未有參與是次研究的Jonathan Jones教授亦表示,實驗中植物的產量增加令人印象深刻。

將技術應用到其他農作物

今次實驗顯示,透過基因改造技術增加產量的想法有可能實現。下一步就是把同樣手段應用到其他農作物上——特別是食用的農作物。Long預計其他研究人員會找到其他方法,可以更快速關掉NPQ,甚至更大幅提升產量。

研究團隊目前已獲得蓋茨基金會資助,利用類似技術把有關基因加入主要的食用農作物當中,包括稻米、大豆和木薯。Long表示,他們現時未完全肯定這方法適用於其他作物,但由於有關機制通用於所有農作物,他們有信心將會成功。

近年CRISPR等基因編輯技術發展得越來越成熟,研究人員在未來甚至不用從其他植物取得有關基因,可以直接修改農作物的基因來達成其目的。

不過,Jones提到光合作用並非植物生長的唯一限制,他表示︰「很多植物的生長環境中,最主要的限制因素是氮含量,而非光合作用。」目前亦有研究嘗試增加農作物的用氮效率,從而減少浪費化肥中的氮並改善環境,甚至有效提升產量。

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