超級光合作用植物

方陵生

在澳大利亞昆士蘭州的艾爾鎮(zhèn)附近，一塊土地上種植著一些不同尋常的作物。這些稍帶銀白色的青綠色植物，長長的肉質(zhì)葉子向外展開，就像有著許多繃鋸齒的刀片，這就是龍舌蘭。

龍舌蘭是制作烈酒龍舌蘭酒所必需的原料，這也是它們最為有名的用途。與澳大利亞太平洋沿岸相比，種植龍舌蘭在墨西哥更為普遍。然而，對科學(xué)家來說，龍舌蘭對于人類的意義非同尋常，因?yàn)檫@種超級植物（具有超強(qiáng)光合作用的植物）是即將到來的全球能源革命的一部分。

龍舌蘭的確非同尋常，即使在地球上最干燥缺水的地方，它們也能正常進(jìn)行光合作用。這就使科學(xué)家們聯(lián)想到了地球的糧食供應(yīng)。隨著氣候變暖，地球上的糧食供應(yīng)開始受到威脅，科學(xué)家開始競相研究龍舌蘭。期望能夠駕馭龍舌蘭所具有的那種神秘力量。那么，龍舌蘭這種超級植物，究竟具有什么能耐，又可能給我們帶來什么樣的驚喜呢？

龍舌蘭是制作烈酒龍舌蘭酒所必需的原料。但對科學(xué)家來說，龍舌蘭對于人類的意義非同尋常

普通植物的光合作用效率令人失望

地球上的植物在為人類提供食物、燃料、建筑材料和自然美景的同時(shí)，還封存了大量的二氧化碳，否則。地球這個(gè)恒溫器的溫度會(huì)變得更高。人類的生存一直在依賴并將繼續(xù)依賴植物的光合作用。光合作用是一種非常奇妙的自然現(xiàn)象。植物通過捕獲陽光伯能量，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為糖和氧，從而將能量儲(chǔ)存起來，為滋養(yǎng)我們提供所需。然而，盡管植物光合作用經(jīng)過了20億年漫長的演化歷程，但我們必須承認(rèn)：植物完成了一個(gè)奇跡，卻沒有做得很好。彗通植物將太陽能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的效率最高僅為4.6%，這樣的效率實(shí)在有點(diǎn)令人失望。

普通植物多采用碳3光合作用的方式

為此，科學(xué)家希望通過探索龍舌蘭等植物超強(qiáng)光合作用的秘密，來開發(fā)和利用龍舌蘭的這種強(qiáng)大而神秘的光合作用能力，從而為人類創(chuàng)建一個(gè)更加綠色環(huán)保、更清潔、更安全的未來。塔恩等科學(xué)家就是在做這項(xiàng)工作。

碳4水稻之夢

普通植物的這種低效率的光合作用，被稱為“碳3光合作用”，地球上90%的植物（包括小麥、水稻和大豆等）都是碳3植物。只有約4%的植物物種采用的是碳4光合作用，但它們卻占陸地生物量的23%。碳4植物包括一些主要的食用植物如玉米、甘蔗，以及眾多動(dòng)物性食物所需要的牧草。全球變暖將導(dǎo)致養(yǎng)活全人類的壓力增大，糧食危機(jī)形勢嚴(yán)峻。即使21世紀(jì)全球變暖控制在了預(yù)期的范圍內(nèi)，小麥、水稻和大豆等碳3作物的產(chǎn)量還是可能會(huì)下降6%～15%。這就促使一些科學(xué)家產(chǎn)生了要制造更多碳4植物這種高效光合作用植物的想法。這些科學(xué)家在想：是否可以通過基因工程促成碳3植物采用碳4植物的光合作用？

碳4水稻項(xiàng)目將世界一半人口的主食轉(zhuǎn)化為碳4作物

碳4水稻項(xiàng)目是2008年啟動(dòng)的一項(xiàng)國際性大項(xiàng)目，旨在通過這一研究取得的成功將世界一半人口的主食轉(zhuǎn)化為碳4作物。碳3水稻缺乏碳4植物所特有的葉片結(jié)構(gòu)，因此需要通過插入20或30個(gè)新基因?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。有科學(xué)家認(rèn)為，這是目前合成生物學(xué)和基因組工程領(lǐng)域最大的項(xiàng)目。

2017年，研究人員宣布，已經(jīng)培育出了一種碳4水稻品種樣本，該改良品種擁有那些重要的細(xì)胞間通道，植物葉綠體也更大。預(yù)計(jì)，到2030年，碳4水稻將進(jìn)行大田試驗(yàn)。研究人員表示，我們可能得不到完美的碳4水稻，但我們會(huì)得到產(chǎn)量更高的碳3品種。與此同時(shí)，另一些研究人員已經(jīng)在大氣二氧化碳濃度較高的環(huán)境中種植了水稻，以獲得碳4水稻的相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這些作物的產(chǎn)量將比傳統(tǒng)作物高出50%。

光合作用的三種類型

碳4水稻項(xiàng)目曙光初現(xiàn)，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。隨著氣候變化，我們不僅需要糧食作物更高效，我們還需要糧食作物能夠適應(yīng)更嚴(yán)酷的環(huán)境條件?？茖W(xué)家認(rèn)為，在全球氣候危機(jī)背景下，水將成為限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的因素。據(jù)預(yù)測，未來一個(gè)世紀(jì)里，干旱將肆虐許多半干旱地區(qū)，預(yù)計(jì)45%的土地將發(fā)生更頻繁、更嚴(yán)重和更持久的千旱。如果太過干旱導(dǎo)致糧食作物無法生長，那么，增強(qiáng)版光合作用水稻也無濟(jì)于事。

景天酸代謝植物

然而，大自然還有一種秘密武器——大約7%的植物采用的是第三種光合作用，這些植物被稱為景天酸代謝（以下簡稱CAM）植物。CAM植物包括菠蘿、蘆薈和香草，昆士蘭的鋸齒葉銀龍舌蘭也是其中之一。

大自然還有一種秘密武器，大約7%的植物采用的是第三種光臺(tái)作用：CAM

與碳4光合作用一樣，CAM植物可預(yù)濃縮二氧化碳以提高魯比斯科酶的效率。但有所不同的是，碳4植物是從物理上將光合作用分成兩部分，而CAM植物則是從時(shí)間間隔上將光合作用分離成兩部分。與大多數(shù)植物不同的是，CAM植物只有在涼爽的夜晚才會(huì)打開氣孔來捕捉二氧化碳。當(dāng)太陽升起時(shí)。植物氣孔就會(huì)關(guān)閉以防止水分流失，此時(shí)植物只利用儲(chǔ)存的二氧化碳進(jìn)行光合作用。正因?yàn)樗鼈兊倪@些適應(yīng)性變化，和耐旱的碳3植物及碳4植物一樣，CAM植物只需要20%的水就能夠滿足生長需要。隨著全球變暖。水的短缺將成為限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，而不需要太多水的碳4和CAM植物亦將是滿足未來糧食需求的希望所在。

龍舌蘭的種植越來越普遍，并且有了許多不同尋常的用途。例如，塔恩的種植園正在做用龍舌蘭來生產(chǎn)生物燃料的實(shí)驗(yàn)。在世界許多地區(qū)。生物燃料已經(jīng)被用來作為汽油的補(bǔ)充，越來越多地被視為液體化石燃料的可替代品。但由于種植生物燃料需要大量的土地、水和其他資源，其功過利弊也存在爭議。

塔恩和他的同事最近發(fā)表了第一份關(guān)于龍舌蘭—生物乙醇生長周期的綜合評估報(bào)告，并對溫室氣體排放、水消耗和環(huán)境污染等問題進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，與從玉米中提取乙醇相比，從龍舌蘭植物中攝取生物乙醇對全球變暖的影響要低60%，比從甘蔗中攝取乙醇要低30%。另外，因?yàn)樵诎拇罄麃喎N植龍舌蘭沒有本土害蟲，所以既不需要灌溉，也不需要?dú)⑾x劑。

龍舌蘭等作物，它高大的青綠色葉子將成為地球上更加常見和亮麗的一道風(fēng)景線

庫什曼的研究小組正在進(jìn)行的是一個(gè)種植仙人掌果的項(xiàng)目。仙人掌果用途廣泛，可用于食品、動(dòng)物飼料、生物乙醇和沼氣。仙人掌果原產(chǎn)于美洲，可在溫度基本保持在零度以上的任何地方茁壯成長。這意味著地球上1/5不適合種植其他作物的土地都可以用來種植這種仙人掌果。在內(nèi)華達(dá)州的大田試驗(yàn)表明，1公頃的仙人掌果每年可產(chǎn)生多達(dá)44噸的生物量。與玉米和甘蔗的產(chǎn)量相當(dāng)。巴西和突尼斯都在許多峽谷地帶種植了仙人掌果，當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)家們觀察到，由這種仙人掌組成的樹籬可以防止水土流失，提高土壤中的氮含量。

人們通常認(rèn)為，CAM植物生長緩慢，其實(shí)這是對它們的誤解。像玉米和大豆這樣的一年生作物生長迅速，但一年只有一個(gè)生長季節(jié)，通常需要4～6個(gè)月的生長期;而大多數(shù)CAM植物是多年生植物，可以連續(xù)生長數(shù)年，因此一些CAM作物同樣也能夠高產(chǎn)。

未來的超級作物

一些科學(xué)家想知道，是否可以利用CAM作物開展一些與碳4水稻項(xiàng)目類似的項(xiàng)目。碳4水稻項(xiàng)目的目的是將碳3和CAM作物的特性結(jié)合起來，產(chǎn)生一種終極超級作物。過去的5年里，科學(xué)家們已經(jīng)對幾種CAM植物的基因組進(jìn)行了測序，但是要獲得最終的成功，還有很長的路要走。雖然我們已經(jīng)大致了解了CAM光合作用的路徑，但具體的運(yùn)作方式，比如隨時(shí)間波動(dòng)、酶的調(diào)節(jié)等重要細(xì)節(jié)尚不清楚。

目前，科學(xué)家正在將對CAM基因的理解綜合起來，開發(fā)CAM大豆的原型。他們認(rèn)為。大概5年后我們將獲得這樣的原型，但在田間大面積種植可能還需要較長的一段時(shí)間。與此同時(shí)，地球上越來越多的半干旱土地都在計(jì)劃種植龍舌蘭等作物，龍舌蘭高大的青綠色葉子將成為地球上更加常見和亮麗的一道風(fēng)景線。