超级光合作用植物

在澳大利亚昆士兰州的艾尔镇附近,一块土地上种植着一些不同寻常的作物。这些稍带银白色的青绿色植物,长长的肉质叶子向外展开,就像有着许多绷锯齿的刀片,这就是龙舌兰。

龙舌兰是制作烈酒龙舌兰酒所必需的原料,这也是它们最为有名的用途。与澳大利亚太平洋沿岸相比,种植龙舌兰在墨西哥更为普遍。然而,对科学家来说,龙舌兰对于人类的意义非同寻常,因为这种超级植物(具有超强光合作用的植物)是即将到来的全球能源革命的一部分。

龙舌兰的确非同寻常,即使在地球上最干燥缺水的地方,它们也能正常进行光合作用。这就使科学家们联想到了地球的粮食供应。随着气候变暖,地球上的粮食供应开始受到威胁,科学家开始竞相研究龙舌兰。期望能够驾驭龙舌兰所具有的那种神秘力量。那么,龙舌兰这种超级植物,究竟具有什么能耐,又可能给我们带来什么样的惊喜呢?

龙舌兰是制作烈酒龙舌兰酒所必需的原料。但对科学家来说,龙舌兰对于人类的意义非同寻常

普通植物的光合作用效率令人失望

地球上的植物在为人类提供食物、燃料、建筑材料和自然美景的同时,还封存了大量的二氧化碳,否则。地球这个恒温器的温度会变得更高。人类的生存一直在依赖并将继续依赖植物的光合作用。光合作用是一种非常奇妙的自然现象。植物通过捕获阳光伯能量,将二氧化碳和水转化为糖和氧,从而将能量储存起来,为滋养我们提供所需。然而,尽管植物光合作用经过了20亿年漫长的演化历程,但我们必须承认:植物完成了一个奇迹,却没有做得很好。彗通植物将太阳能转化为生物质的效率最高仅为4.6%,这样的效率实在有点令人失望。

普通植物多采用碳3光合作用的方式

为此,科学家希望通过探索龙舌兰等植物超强光合作用的秘密,来开发和利用龙舌兰的这种强大而神秘的光合作用能力,从而为人类创建一个更加绿色环保、更清洁、更安全的未来。塔恩等科学家就是在做这项工作。

碳4水稻之梦

普通植物的这种低效率的光合作用,被称为“碳3光合作用”,地球上90%的植物(包括小麦、水稻和大豆等)都是碳3植物。只有约4%的植物物种采用的是碳4光合作用,但它们却占陆地生物量的23%。碳4植物包括一些主要的食用植物如玉米、甘蔗,以及众多动物性<i 食物所需要的牧草。全球变暖将导致养活全人类的压力增大,粮食危机形势严峻。即使21世纪全球变暖控制在了预期的范围内,小麦、水稻和大豆等碳3作物的产量还是可能会下降6%~15%。这就促使一些科学家产生了要制造更多碳4植物这种高效光合作用植物的想法。这些科学家在想:是否可以通过基因工程促成碳3植物采用碳4植物的光合作用?

碳4水稻项目将世界一半人口的主食转化为碳4作物

碳4水稻项目是2008年启动的一项国际性大项目,旨在通过这一研究取得的成功将世界一半人口的主食转化为碳4作物。碳3水稻缺乏碳4植物所特有的叶片结构,因此需要通过插入20或30个新基因对其结构进行重新设计。有科学家认为,这是目前合成生物学和基因组工程领域最大的项目。

2017年,研究人员宣布,已经培育出了一种碳4水稻品种样本,该改良品种拥有那些重要的细胞间通道,植物叶绿体也更大。预计,到2030年,碳4水稻将进行大田试验。研究人员表示,我们可能得不到完美的碳4水稻,但我们会得到产量更高的碳3品种。与此同时,另一些研究人员已经在大气二氧化碳浓度较高的环境中种植了水稻,以获得碳4水稻的相关数据。实验数据表明,这些作物的产量将比传统作物高出50%。

光合作用的三种类型

碳4水稻项目曙光初现,但还远远不够。随着气候变化,我们不仅需要粮食作物更高效,我们还需要粮食作物能够适应更严酷的环境条件。科学家认为,在全球气候危机背景下,水将成为限制农业发展的因素。据预测,未来一个世纪里,干旱将肆虐许多半干旱地区,预计45%的土地将发生更频繁、更严重和更持久的千旱。如果太过干旱导致粮食作物无法生长,那么,增强版光合作用水稻也无济于事。

景天酸代谢植物

然而,大自然还有一种秘密武器——大约7%的植物采用的是第三种光合作用,这些植物被称为景天酸代谢(以下简称CAM)植物。CAM植物包括菠萝、芦荟和香草,昆士兰的锯齿叶银龙舌兰也是其中之一。

大自然還有一种秘密武器,大约7%的植物采用的是第三种光台作用:CAM

与碳4光合作用一样,CAM植物可预浓缩二氧化碳以提高鲁比斯科酶的效率。但有所不同的是,碳4植物是从物理上将光合作用分成两部分,而CAM植物则是从时间间隔上将光合作用分离成两部分。与大多数植物不同的是,CAM植物只有在凉爽的夜晚才会打开气孔来捕捉二氧化碳。当太阳升起时。植物气孔就会关闭以防止水分流失,此时植物只利用储存的二氧化碳进行光合作用。正因为它们的这些适应性变化,和耐旱的碳3植物及碳4植物一样,CAM植物只需要20%的水就能够满足生长需要。随着全球变暖。水的短缺将成为限制农业发展的重要因素,而不需要太多水的碳4和CAM植物亦将是满足未来粮食需求的希望所在。

龙舌兰的种植越来越普遍,并且有了许多不同寻常的用途。例如,塔恩的种植园正在做用龙舌兰来生产生物燃料的实验。在世界许多地区。生物燃料已经被用来作为汽油的补充,越来越多地被视为液体化石燃料的可替代品。但由于种植生物燃料需要大量的土地、水和其他资源,其功过利弊也存在争议。

塔恩和他的同事最近发表了第一份关于龙舌兰—生物乙醇生长周期的综合评估报告,并对温室气体排放、水消耗和环境污染等问题进行了研究。他们发现,与从玉米中提取乙醇相比,从龙舌兰植物中摄取生物乙醇对全球变暖的影响要低60%,比从甘蔗中摄取乙醇要低30%。另外,因为在澳大利亚种植龙舌兰没有本土害虫,所以既不需要灌溉,也不需要杀虫剂。

龙舌兰等作物,它高大的青绿色叶子将成为地球上更加常见和亮丽的一道风景线

库什曼的研究小组正在进行的是一个种植仙人掌果的项目。仙人掌果用途广泛,可用于食品、动物饲料、生物乙醇和沼气。仙人掌果原产于美洲,可在温度基本保持在零度以上的任何地方茁壮成长。这意味着地球上1/5不适合种植其他作物的土地都可以用来种植这种仙人掌果。在内华达州的大田试验表明,1公顷的仙人掌果每年可产生多达44吨的生物量。与玉米和甘蔗的产量相当。巴西和突尼斯都在许多峡谷地带种植了仙人掌果,当地的科学家们观察到,由这种仙人掌组成的树篱可以防止水土流失,提高土壤中的氮含量。

人们通常认为,CAM植物生长缓慢,其实这是对它们的误解。像玉米和大豆这样的一年生作物生长迅速,但一年只有一个生长季节,通常需要4~6个月的生长期;而大多数CAM植物是多年生植物,可以连续生长数年,因此一些CAM作物同样也能够高产。

未来的超级作物

一些科学家想知道,是否可以利用CAM作物开展一些与碳4水稻项目类似的项目。碳4水稻项目的目的是将碳3和CAM作物的特性结合起来,产生一种终极超级作物。过去的5年里,科学家们已经对几种CAM植物的基因组进行了测序,但是要获得最终的成功,还有很长的路要走。虽然我们已经大致了解了CAM光合作用的路径,但具体的运作方式,比如随时间波动、酶的调节等重要细节尚不清楚。

目前,科学家正在将对CAM基因的理解综合起来,开发CAM大豆的原型。他们认为。大概5年后我们将获得这样的原型,但在田间大面积种植可能还需要较长的一段时间。与此同时,地球上越来越多的半干旱土地都在计划种植龙舌兰等作物,龍舌兰高大的青绿色叶子将成为地球上更加常见和亮丽的一道风景线。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:00。
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