自從托馬斯·馬爾薩斯(Thomas Malthus)在1789年發(fā)布了他的可怕預(yù)測，即人口增長總是超過食物供應(yīng)，科學(xué)家們一直試圖證明他是錯的。到目前為止，他們通過開發(fā)更大，更好的作物品種和其他農(nóng)業(yè)創(chuàng)新，幫助農(nóng)民保持同步。

現(xiàn)在，研究人員正在采取更加大膽的步驟：對植物進(jìn)行重新編程，使光合作用更加高效。它似乎有所回報(bào)。根據(jù)周五發(fā)表在“科學(xué)”雜志上的一項(xiàng)研究，經(jīng)過基因工程優(yōu)化光合作用的煙草植物比其常規(guī)親屬高出40%。英格蘭利茲大學(xué)的植物生物學(xué)家Christine Foyer說，“這很美，真的很優(yōu)雅。”他沒有參與這項(xiàng)工作。

科學(xué)家們已經(jīng)開始研究光合作用，因?yàn)樗峁┝松贁?shù)幾種可以大幅提高作物產(chǎn)量的選擇。植物育種者已經(jīng)選擇了能夠生產(chǎn)更多我們想吃的東西的有活力的品種 - 無論是葉子，果實(shí)，根或種子 - 當(dāng)在理想條件下生長時(shí)。

該研究的資深作者伊利諾伊大學(xué)香檳分校的植物生物學(xué)家Don Ort說：“我們真的需要能夠操縱光合作用，因?yàn)樗娴木褪沁@樣。”

幸運(yùn)的是，理論上至少還有很大的改進(jìn)空間。盡管它能夠建造高聳的紅杉和廣闊的珊瑚礁，但光合作用是一個相當(dāng)?shù)托У倪^程。只有一小部分可利用的光被用來產(chǎn)生糖和其他碳水化合物。

“光合系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到非常靈活，而不是完全最優(yōu)，”Foyer說。“有妥協(xié)。”

部分問題是工廠花費(fèi)大量精力來補(bǔ)償操作系統(tǒng)中的錯誤。

它涉及一種叫做RuBisCO的酶，它的作用是捕獲二氧化碳分子并將它們送到裝配線上。

當(dāng)光合作用在數(shù)十億年前首次發(fā)展時(shí)，這個過程非常有效，因?yàn)榇髿庵袥]有氧氣。但是一旦它建成 - 當(dāng)然要感謝光合作用的浮游生物 - RuBisCO意外地開始鎖定錯誤的氣體。

得到的化合物不僅無用而且有毒。因此植物必須找到一種方法將其轉(zhuǎn)化為安全和功能性的東西。

不幸的是，Ort說，“植物選擇的方式變得既復(fù)雜又耗能。”

他們的解決方案包括將發(fā)生光合作用的葉綠體外的不需要的分子穿梭到另一個稱為過氧化物酶體的細(xì)胞器中。從那里開始，它進(jìn)入線粒體，然后以更容忍的狀態(tài)回溯到葉綠體的路徑。

這種稱為光呼吸的繁瑣過程消耗了植物已經(jīng)儲存為糖的一些能量，并將作物產(chǎn)量降低了20%至50%。

“固定氧氣就像抗光合作用一樣，”奧特說。

所以他的團(tuán)隊(duì)決定更新光呼吸算法。

他們采用了易于使用的煙草植物，并在其DNA中插入了新的基因，為處理不需要的化合物創(chuàng)造了捷徑。他們嘗試了三種替代方案，其中兩種是由其他科學(xué)家開發(fā)的。研究人員還沉默了一個基因，以防止分子首先離開葉綠體。

“這真是一個非常非常復(fù)雜的工程，”Foyer說。

修改工作奇跡。在溫室實(shí)驗(yàn)中，工程化植物的生物量比未改變的對應(yīng)植物多出近25%。田間試驗(yàn) - 測試新作物的黃金標(biāo)準(zhǔn)- 甚至可以獲得更好的結(jié)果，一些植物的親屬生產(chǎn)率提高了40%。

“其中一些，我們認(rèn)為，是由于復(fù)利，”奧特說。幼苗生長得更快，葉面積增加，這使得它們的光合作用更強(qiáng)。

研究人員已經(jīng)開始對大豆和土豆等糧食作物進(jìn)行相同的改變。

“沒有理由懷疑你不會有類似的結(jié)果，”Foyer說。然而，它不適用于玉米和甘蔗等作物，這些作物具有不同的固碳方式。

Ort的團(tuán)隊(duì)還與伊利諾伊大學(xué)的另一個團(tuán)隊(duì)合作，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)煙草工廠以利用更多光線，從而使生產(chǎn)率提高15%。

“我們現(xiàn)在正處于我們所謂的堆疊這兩個特征的過程中，”奧特說。模型表明，這些好處將會增加，將生產(chǎn)力提高50%以上。但是，奧特告誡說，“在你做實(shí)驗(yàn)之前，你不知道。”

這兩項(xiàng)努力都是RIPE項(xiàng)目的成果，該項(xiàng)目代表著實(shí)現(xiàn)提高光合效率。其動機(jī)很簡單：提高作物產(chǎn)量和對抗糧食不安全。(7000萬美元的倡議得到了比爾和梅林達(dá)蓋茨基金會的大部分資金，該基金會要求通過該計(jì)劃開發(fā)的任何作物都可供全世界的農(nóng)民使用。)

如今，種植者仍然設(shè)法通過使用更高產(chǎn)的作物并為其提供大量營養(yǎng)和水來從每英畝土地中擠出更多的食物。但收益已經(jīng)放緩至每年1%至2%，一些科學(xué)家預(yù)計(jì)這一趨勢可能會因氣候變化而逆轉(zhuǎn)。

這將使人們難以應(yīng)對未來幾十年人類面臨的挑戰(zhàn)：到2050年種植足夠的食物來養(yǎng)活約97億人口，并且這樣做不會破壞地球。第一次綠色革命成功地大幅增加了糧食產(chǎn)量，但也帶來了許多環(huán)境問題，包括增加化肥和農(nóng)藥的使用，水污染，土壤退化和侵蝕。

“真的不可能繼續(xù)我們的方式，”Foyer說。

科學(xué)家們說，未來我們必須找到在相同數(shù)量的土地上生產(chǎn)更多糧食并使用更少資源的方法。一個解決方案是確保植物能夠充分利用它們所擁有的東西，正如Ort的團(tuán)隊(duì)對其煙草植物所做的那樣，F(xiàn)oyer說：“這就是為什么這很重要。”

研究結(jié)果是一個很好的開始，北卡羅萊納州立大學(xué)羅利分校的植物生物學(xué)家 Heike Sederoff說。但她表示，研究人員仍需要評估新的光合特性是否會持續(xù)幾代，以及它是否會使植物或多或少地受到干旱等環(huán)境壓力因素的影響。

“這些都是需要測試的東西，”她說。

Sederoff說，轉(zhuǎn)基因作物也存在爭議，特別是在歐洲和非洲，許多國家已禁止轉(zhuǎn)基因作物。因此，這些作物的潛力部分取決于態(tài)度和法規(guī)的演變。

但是奧特說時(shí)鐘正在滴答作響。新作物從實(shí)驗(yàn)室到農(nóng)田需要12到15年的時(shí)間，這意味著如果他的團(tuán)隊(duì)或其他人確實(shí)設(shè)法開發(fā)出更有效的品種，他們將不會在2030年代中期開始使用。

根據(jù)最近的一項(xiàng)估計(jì)，到本世紀(jì)中葉，糧食產(chǎn)量必須增加25%至70%才能滿足需求。

“確實(shí)有一些緊迫感，”奧特說。